अणुकेंद्राशी जुळवलेले घड्याळ 30 तास चालले

जगातील सर्वांत अचूक घड्याळे अणूंच्या आतील इलेक्ट्रॉन्सची दोलने मोजतात, ज्यांचा वेध लेसरने घेतला जातो. मापनशास्त्रासाठी आणि मूलभूत भौतिकशास्त्राच्या चाचण्यांसाठी ती वारंवारतेचे संदर्भ म्हणून काम करतात. थोरियम-229 एक वेगळ्या प्रकारचा लंबक देते: त्याच्या अणुकेंद्राला एक उत्तेजित अवस्था आहे, जिला आयसोमर म्हणतात, जी त्याच्या मूलावस्थेपेक्षा फक्त सुमारे 8.4 इलेक्ट्रॉनव्होल्ट वर आहे — इतकी कमी की लेसर तिथपर्यंत पोहोचू शकतो. आवश्यक प्रकाश निर्वात अतिनील (व्हॅक्युम अल्ट्राव्हायोलेट) प्रदेशात, 148.4 नॅनोमीटरवर आहे.

लेखकांच्या मते, या अणुकेंद्रीय संक्रमणावर बांधलेले घड्याळ मूलभूत आंतरक्रियांमधील संभाव्य बदलांबाबत विशेष संवेदनशील असेल, आणि कृष्णद्रव्याच्या शोधात मदत करू शकेल. कॅल्शियम फ्लोराइडच्या पारदर्शक स्फटिकात थोरियम बसवल्याने एका लहानशा घन तुकड्यात प्रकाश शोषणारी प्रचंड संख्येने अणुकेंद्रे मिळतात: हा घन-अवस्थेतील अणुकेंद्रीय घड्याळाचा मार्ग आहे.

पहिले नव्हे, पण इथे सर्वाधिक काळ चाललेले

आधी काय झाले आहे याबद्दल शोधनिबंध काळजी घेतो. त्याच्या संदर्भांमध्ये इतर पथकांनी नोंदवलेली अणुकेंद्रीय प्रतिदीप्ती, थेट लेसर-उत्तेजन, कॉम्ब स्पेक्ट्रोस्कोपी, सलग अतिनील लेसर, शोषण-वर्णपटशास्त्र आणि अगदी अणुकेंद्रीय फीडबॅक लूप्सही आहेत. हे काम जी भर घालते ती म्हणजे दिलेल्या स्फटिकावर दीर्घकाळ चालणारे घड्याळ, आणि त्याचा मोजलेला वर्णपट व घड्याळ प्रत्यक्षात देत असलेली वारंवारता यांच्यातील काळजीपूर्वक दुवा.

शोषण हीच गुरुकिल्ली आहे. उत्तेजित अणुकेंद्रांचा क्षय होण्याची वाट पाहण्याऐवजी — ही संथ प्रक्रिया आहे — पथक स्फटिक किती प्रकाश गिळतो ते मोजते. त्यातून लेसर रेषेवर आहे की तिच्या बाजूला, हे सांगणारा जलद संकेत मिळतो.

अणुकेंद्रापर्यंत पोहोचण्यासाठी तीनदा दुप्पट

चीनच्या युनिव्हर्सिटी ऑफ सायन्स अँड टेक्नॉलॉजीमधील पेंगफेई वांग (Pengfei Wang), शू-फेई यिन (Xu-Fei Yin), यू-आओ चेन (Yu-Ao Chen) आणि सहकारी, चायनीज अकॅडमी ऑफ सायन्सेस आणि व्हिएन्ना येथील TU Wien मधील भागीदारांसह, अतिस्थिर प्रकाशीय पोकळीवर स्थिर केलेल्या 1,187 नॅनोमीटरवरील अवरक्त लेसरपासून सुरुवात करतात. लागोपाठ तीनदा वारंवारता दुप्पट केल्याने तो 594, मग 297, मग 148.4 नॅनोमीटर होतो. मग सुमारे 750 पिकोवॉट अतिनील प्रकाश X2 नावाच्या स्फटिकातून कापलेल्या, थोरियम मिसळलेल्या 1.8 मिलिमीटर जाडीच्या तुकड्यातून जातो. X2 चे इतर तुकडे व्हिएन्ना आणि JILA येथे मोजले गेले आहेत.

स्फटिकाच्या आत स्थानिक विद्युतक्षेत्र अणुकेंद्रीय रेषेचे अनेक घटकांत विभाजन करते. थोरियमच्या एका प्रकारच्या स्थानावर पथक त्यापैकी चार वेगळे ओळखते, शिवाय दुसऱ्या प्रकारच्या स्थानामुळे येणारा एक रुंद अनुनाद. सर्वांत प्रबळ आणि सर्वांत अरुंद रेषा, जिला b म्हणतात, फक्त 83 किलोहर्ट्झ रुंद आहे — सुमारे दोन दशलक्ष अब्ज हर्ट्झच्या वारंवारतेवर.

एका रेषेवर तीस तास

घड्याळ चालवण्यासाठी प्रणाली रेषा b च्या दोन्ही उतारांचा वेध घेते आणि सुमारे दर 10 सेकंदांनी लेसरची वारंवारता किंचित सरकवते. स्ट्रॉन्शियम अणु-घड्याळाशी जुळवलेल्या हायड्रोजन मेझरचा संदर्भ घेतलेला एक फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब उत्पादन मोजतो.

हे आवर्तन 30 तास टिकले — 10,61,000 मापन-चक्रे, ज्यापैकी फक्त 29 नाकारली गेली.
घड्याळ अजूनही लॉक असतानाच पथकाने प्रयोग थांबवला: फोटॉन-दर सेकंदाला 57.9 लाखांवरून 24.1 लाखांवर आला होता, ज्याचे कारण लेखक वायू-उत्सर्जनामुळे अतिनील पारगम्यता खालावणे असे देतात.
रेषा b ची मोजलेली वारंवारता: 2,020,407,298,796.17 किलोहर्ट्झ, 0.13 किलोहर्ट्झच्या अनिश्चिततेसह.
सरासरीचा कालावधी वाढेल तशी तिची स्थिरता सुधारते आणि 10,000 सेकंदांनंतर 1.24 × 10⁻¹³ गाठते.
दुसऱ्या घटकावर, रेषा c वर, 6.6 तासांचा दुसरा प्रयोगही यशस्वी झाला.

शोषण-वर्णपटांतून वाचलेल्या रेषांच्या जागा आणि घड्याळाने दिलेल्या वारंवारता त्यांच्या अनिश्चिततेच्या मर्यादेत जुळतात. कक्ष उघडून आणि प्रकाशीय रचना पुन्हा जुळवून पथकाने घड्याळ आणखी तीनदा सुरू केले तेव्हा सरासरी वारंवारता 1.6 किलोहर्ट्झच्या पट्ट्यात विखुरल्या.

एकच स्फटिक, तीन प्रयोगशाळा

तापमानासाठी दुरुस्ती केल्यानंतर, आपल्या तुकड्याची व्हिएन्ना आणि JILA येथे मोजलेल्या त्याच स्फटिकाच्या तुकड्यांशी तुलना करताना पथकाला रेषांचा तोच नमुना मिळतो. काही फरक उरतात: रेषा b व्हिएन्नाच्या मूल्यापेक्षा 11.6 किलोहर्ट्झ आणि JILA च्या मूल्यापेक्षा 6.6 ने वर आहे; रेषा c दोन्हींपेक्षा सुमारे 30 किलोहर्ट्झने वर. हे उरलेल्या तापमान-त्रुटींमुळे, लॉकिंगमधील पूर्वग्रहांमुळे, की नमुन्यांमधील खऱ्या फरकांमुळे आहेत, हे लेखक अजून सांगू शकत नाहीत.

अंतिम रेषेपासून अजून दूर

या आकड्यांना संदर्भ हवा, आणि शोधनिबंध तो देतो. संदर्भ म्हणून वापरलेल्या हायड्रोजन मेझर आणि स्ट्रॉन्शियम घड्याळ यांच्यातील तुलनाच त्याच सरासरी-कालावधींवर थोरियम घड्याळापेक्षा दहापटींहून अधिक स्थिर आहे. अनिश्चिततेचे हिशोब स्पष्टपणे अपूर्ण असल्याचे नमूद आहे, आणि दीर्घ प्रयोगाच्या पहिल्या 14.7 तासांत तापमानाची नोंद घेतली गेली नाही. या कामाचे मूल्य टिकाऊपणात आणि परस्पर-तपासणीत आहे: एक अणुकेंद्रीय संक्रमण, एका दिवसाहून अधिक काळ पकडून ठेवलेले, आणि तीन प्रयोगशाळांतील त्याच स्फटिकाच्या तुकड्यांशी तुलना केलेले.