SAA ILIYOREKEBISHWA KWA KIINI CHA ATOMI ILIFANYA KAZI KWA SAA 30

Saa sahihi zaidi duniani huhesabu mitetemo ya elektroni ndani ya atomi, ikichunguzwa kwa leza. Hutumika kama marejeo ya masafa kwa elimu ya vipimo na kwa majaribio ya fizikia ya msingi. Thoriamu-229 inatoa aina tofauti ya pendulamu: kiini chake kina hali ya kuamshwa, iitwayo isoma, iliyo takriban elektronivolti 8.4 tu juu ya hali yake ya msingi — chini kiasi cha kutosha kwa leza kuifikia. Mwanga unaohitajika uko katika urujuanimno wa ombwe, kwenye nanomita 148.4.

Kwa mujibu wa waandishi, saa iliyojengwa juu ya mpito huu wa kiini ingehisi hasa mabadiliko yanayowezekana ya mwingiliano wa msingi, na ingeweza kusaidia kutafuta maada nyeusi. Kupachika thoriamu katika fuwele angavu ya floridi ya kalsiamu hutoa idadi kubwa mno ya viini vinavyofyonza katika kipande kidogo kigumu: njia ya kuelekea saa ya kiini ya hali-ngumu.

Si ya kwanza, lakini iliyodumu zaidi hapa

Makala ni makini kuhusu kile kilichokwisha fanywa. Marejeo yake yanaorodhesha mng’ao wa kiini (fluorescence), uamshaji wa moja kwa moja kwa leza, spektroskopia ya kitana cha masafa, leza za urujuanimno zinazoendelea, spektroskopia ya ufyonzaji na hata mizunguko ya mrejesho ya kiini iliyoripotiwa na timu nyingine. Kazi hii inaongeza saa inayofanya kazi kwa muda mrefu kwenye fuwele moja, na kiungo makini kati ya spektra yake iliyopimwa na masafa ambayo saa hutoa kwa kweli.

Ufyonzaji ndio ufunguo. Badala ya kusubiri viini vilivyoamshwa kuoza — mchakato wa polepole — timu hupima ni kiasi gani cha mwanga ambacho fuwele humeza. Hilo hutoa ishara ya haraka inayoonyesha kama leza iko juu ya mstari au kando yake.

Mara tatu za kuzidisha kufikia kiini

Pengfei Wang, Xu-Fei Yin, Yu-Ao Chen na wenzao wa Chuo Kikuu cha Sayansi na Teknolojia cha China, pamoja na washirika wa Akademia ya Sayansi ya China na TU Wien huko Vienna, wanaanza na leza ya infraredi ya nanomita 1,187, iliyotulizwa kwenye uwazi wa macho ulio thabiti kupita kiasi. Kuzidisha masafa mara mbili kwa mara tatu mfululizo huigeuza kuwa nanomita 594, kisha 297, kisha 148.4. Takriban pikowati 750 za mwanga wa urujuanimno kisha hupita kipande cha fuwele iliyochanganywa na thoriamu chenye unene wa milimita 1.8, kilichokatwa kutoka fuwele iitwayo X2. Vipande vingine vya X2 vimepimwa Vienna na katika JILA.

Ndani ya fuwele, uga wa umeme wa mahali hapo hugawanya mstari wa kiini katika vipengele kadhaa. Katika aina moja ya mahali pa thoriamu, timu inatenganisha vinne kati ya hivyo, pamoja na mwangwi mpana zaidi kutoka aina ya pili ya mahali. Mstari wenye nguvu zaidi na mwembamba zaidi, uitwao b, una upana wa kilohertz 83 tu — kwenye masafa ya takriban hertz kwadrilioni mbili.

Saa thelathini kwenye mstari mmoja

Ili kuendesha saa, mfumo huchunguza pande zote mbili za mstari b na kusogeza kidogo masafa ya leza takriban kila sekunde 10. Kitana cha masafa (frequency comb), kinachorejelea maser ya hidrojeni iliyosawazishwa dhidi ya saa ya atomi ya strontiamu, hupima matokeo.

Mzunguko ulidumu saa 30 — mizunguko ya vipimo 1,061,000, ambayo ni 29 tu iliyokataliwa.
Timu ilisimamisha jaribio saa ikiwa bado imejifunga: kiwango cha fotoni kilikuwa kimeshuka kutoka milioni 5.79 hadi 2.41 kwa sekunde, jambo ambalo waandishi wanalihusisha na utoaji wa gesi unaodhoofisha upitishaji wa urujuanimno.
Masafa yaliyopimwa ya mstari b: kilohertz 2,020,407,298,796.17, kwa kutokuwa na uhakika kwa kilohertz 0.13.
Uthabiti wake huboreka kadiri muda wa wastani unavyoongezeka na kufikia 1.24 × 10⁻¹³ baada ya sekunde 10,000.
Jaribio la pili la saa 6.6 kwenye kipengele kingine, mstari c, pia lilifaulu.

Nafasi za mistari zilizosomwa kutoka spektra za ufyonzaji na masafa yaliyotolewa na saa zinakubaliana ndani ya mipaka ya kutokuwa na uhakika kwake. Timu ilipoanzisha saa tena mara tatu zaidi, baada ya kufungua chemba na kupanga upya vifaa vya macho, masafa ya wastani yalitawanyika katika kilohertz 1.6.

Fuwele moja, maabara tatu

Ikilinganisha kipande chake na vipande vya fuwele ileile vilivyopimwa Vienna na katika JILA, baada ya kurekebisha kwa joto, timu inapata mtindo uleule wa mistari. Tofauti kadhaa zinabaki: mstari b uko kilohertz 11.6 juu ya thamani ya Vienna na 6.6 juu ya ile ya JILA; mstari c takriban kilohertz 30 juu ya zote mbili. Waandishi bado hawawezi kusema kama hizi zinatokana na makosa ya joto yaliyobaki, upendeleo katika ujifungaji, au tofauti halisi kati ya sampuli.

Bado mbali na mstari wa kumalizia

Namba hizi zinahitaji muktadha, na makala inautoa. Ulinganisho kati ya maser ya hidrojeni na saa ya strontiamu uliotumika kama marejeo wenyewe ni thabiti zaidi ya mara kumi kuliko saa ya thoriamu katika muda uleule wa wastani. Hesabu za kutokuwa na uhakika zimeelezwa wazi kuwa hazijakamilika, na joto halikurekodiwa katika saa 14.7 za kwanza za jaribio refu. Thamani ya kazi hii iko katika ustahimilivu na katika ukaguzi mtambuka: mpito wa kiini, uliodumishwa kwa zaidi ya siku moja, na kulinganishwa na vipande vya fuwele ileile katika maabara tatu.