పరమాణు కేంద్రకానికి సరిపెట్టిన గడియారం 30 గంటలు నడిచింది

ప్రపంచంలోని అత్యంత కచ్చితమైన గడియారాలు, లేజర్లతో పరిశీలించే పరమాణువుల లోపలి ఎలక్ట్రాన్ల డోలనాలను లెక్కిస్తాయి. అవి మాపన శాస్త్రానికి, మౌలిక భౌతిక శాస్త్ర పరీక్షలకు పౌనఃపున్య ప్రమాణాలుగా పనిచేస్తాయి. థోరియం-229 వేరే రకమైన లోలకాన్ని అందిస్తుంది: దాని కేంద్రకానికి ఐసోమర్ అనే ఒక ఉత్తేజిత స్థితి ఉంది, ఇది దాని భూస్థితి కంటే కేవలం సుమారు 8.4 ఎలక్ట్రాన్‌వోల్ట్‌లు పైన ఉంది — లేజర్ చేరగలిగేంత తక్కువ. కావాల్సిన కాంతి శూన్య అతినీలలోహిత ప్రాంతంలో, 148.4 నానోమీటర్ల వద్ద ఉంది.

రచయితల ప్రకారం, ఈ కేంద్రక పరివర్తనపై నిర్మించిన గడియారం మౌలిక పరస్పర చర్యల్లో సాధ్యమైన మార్పులకు ప్రత్యేకంగా సున్నితంగా ఉంటుంది, కృష్ణ పదార్థం అన్వేషణలో సహాయపడగలదు. కాల్షియం ఫ్లోరైడ్ పారదర్శక స్ఫటికంలో థోరియంను పొందుపరిస్తే, ఒక చిన్న ఘన ముక్కలో శోషించే కేంద్రకాలు అపారమైన సంఖ్యలో లభిస్తాయి: ఇదే ఘన-స్థితి కేంద్రక గడియారానికి దారి.

మొదటిది కాదు, కానీ ఇక్కడ ఎక్కువసేపు నడిచింది

ఇప్పటికే ఏం జరిగిందనే విషయంలో పత్రం జాగ్రత్తగా ఉంది. దాని సూచికల్లో ఇతర బృందాలు నివేదించిన కేంద్రక ప్రతిదీప్తి, ప్రత్యక్ష లేజర్ ఉత్తేజనం, కోంబ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ, నిరంతర అతినీలలోహిత లేజర్లు, శోషణ స్పెక్ట్రోస్కోపీ, చివరికి కేంద్రక ఫీడ్‌బ్యాక్ లూప్‌లు కూడా ఉన్నాయి. ఈ పని జోడించేది, ఇచ్చిన స్ఫటికంపై చాలాసేపు నడిచే గడియారం, దాని కొలిచిన వర్ణపటానికీ గడియారం నిజంగా ఇచ్చే పౌనఃపున్యానికీ మధ్య జాగ్రత్తైన లంకె.

శోషణే కీలకం. ఉత్తేజిత కేంద్రకాలు క్షయమయ్యే వరకు వేచి చూడటానికి బదులు — అది నెమ్మది ప్రక్రియ — బృందం స్ఫటికం ఎంత కాంతిని మింగుతుందో కొలుస్తుంది. లేజర్ రేఖపై ఉందా లేక దాని పక్కన ఉందా అని చెప్పే వేగవంతమైన సంకేతం దీని వల్ల లభిస్తుంది.

కేంద్రకాన్ని చేరడానికి మూడుసార్లు రెట్టింపు

యూనివర్సిటీ ఆఫ్ సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీ ఆఫ్ చైనాకు చెందిన పెంగ్‌ఫే వాంగ్ (Pengfei Wang), షు-ఫే యిన్ (Xu-Fei Yin), యు-ఆవో చెన్ (Yu-Ao Chen), సహచరులు, చైనీస్ అకాడమీ ఆఫ్ సైన్సెస్, వియన్నాలోని TU Wien భాగస్వాములతో కలిసి, అతి స్థిరమైన ఆప్టికల్ కుహరంపై స్థిరీకరించిన 1,187 నానోమీటర్ల పరారుణ లేజర్‌తో మొదలుపెడతారు. వరుసగా మూడుసార్లు పౌనఃపున్యాన్ని రెట్టింపు చేయడం దాన్ని 594, తర్వాత 297, తర్వాత 148.4 నానోమీటర్లుగా మారుస్తుంది. తర్వాత సుమారు 750 పికోవాట్ల అతినీలలోహిత కాంతి X2 అనే స్ఫటికం నుంచి కత్తిరించిన, 1.8 మిల్లీమీటర్ల మందమున్న థోరియం కలిపిన స్ఫటిక ముక్క గుండా వెళ్తుంది. X2 యొక్క ఇతర ముక్కలను వియన్నాలో, JILA లో కొలిచారు.

స్ఫటికం లోపల, స్థానిక విద్యుత్ క్షేత్రం కేంద్రక రేఖను అనేక భాగాలుగా విభజిస్తుంది. ఒక రకమైన థోరియం స్థానం వద్ద, బృందం వాటిలో నాలుగింటిని విడదీసి గుర్తిస్తుంది, దానికి తోడు రెండో రకం స్థానం నుంచి వచ్చే ఒక వెడల్పైన అనునాదాన్ని. అత్యంత బలమైన, అత్యంత ఇరుకైన రేఖ, b అని పిలిచేది, కేవలం 83 కిలోహెర్ట్జ్ వెడల్పు — సుమారు రెండు మిలియన్ బిలియన్ హెర్ట్జ్ పౌనఃపున్యంపై.

ఒకే రేఖపై ముప్పై గంటలు

గడియారాన్ని నడపడానికి, వ్యవస్థ రేఖ b రెండు పార్శ్వాలనూ పరిశీలించి, సుమారు ప్రతి 10 సెకన్లకు లేజర్ పౌనఃపున్యాన్ని కొద్దిగా జరుపుతుంది. స్ట్రాన్షియం పరమాణు గడియారంతో క్రమాంకనం చేసిన హైడ్రోజన్ మేజర్‌ను ప్రమాణంగా తీసుకున్న ఒక ఫ్రీక్వెన్సీ కోంబ్ అవుట్‌పుట్‌ను కొలుస్తుంది.

• లూప్ 30 గంటలు నిలిచింది — 10,61,000 కొలత చక్రాలు, వాటిలో కేవలం 29 మాత్రమే తిరస్కరించారు.
• గడియారం ఇంకా లాక్ అయి ఉండగానే బృందం ప్రయోగాన్ని ఆపేసింది: ఫోటాన్ రేటు సెకనుకు 57.9 లక్షల నుంచి 24.1 లక్షలకు పడిపోయింది, దీనికి వాయు విడుదల అతినీలలోహిత ప్రసారాన్ని దిగజార్చడం కారణమని రచయితలు చెబుతారు.
• రేఖ b కొలిచిన పౌనఃపున్యం: 2,020,407,298,796.17 కిలోహెర్ట్జ్, 0.13 కిలోహెర్ట్జ్ అనిశ్చితితో.
• సగటు సమయంతో పాటు దాని స్థిరత్వం మెరుగుపడి 10,000 సెకన్ల తర్వాత 1.24 × 10⁻¹³ కు చేరుతుంది.
• మరో భాగమైన రేఖ c పై 6.6 గంటల రెండో ప్రయోగం కూడా పనిచేసింది.

శోషణ వర్ణపటాల నుంచి చదివిన రేఖల స్థానాలు, గడియారం ఇచ్చిన పౌనఃపున్యాలు వాటి అనిశ్చితుల పరిధిలో సరిపోతాయి. గదిని తెరిచి, ఆప్టిక్స్‌ను మళ్లీ సరిచేసిన తర్వాత బృందం గడియారాన్ని మరో మూడుసార్లు ప్రారంభించినప్పుడు, సగటు పౌనఃపున్యాలు 1.6 కిలోహెర్ట్జ్ పరిధిలో చెదిరాయి.

ఒకే స్ఫటికం, మూడు ప్రయోగశాలలు

ఉష్ణోగ్రతకు సరిదిద్దిన తర్వాత, తమ ముక్కను వియన్నాలో, JILA లో కొలిచిన అదే స్ఫటికపు ముక్కలతో పోల్చినప్పుడు, బృందానికి అదే రేఖల నమూనా లభిస్తుంది. కొన్ని తేడాలు మిగిలి ఉన్నాయి: రేఖ b వియన్నా విలువ కంటే 11.6 కిలోహెర్ట్జ్, JILA విలువ కంటే 6.6 పైన ఉంది; రేఖ c రెండింటి కంటే సుమారు 30 కిలోహెర్ట్జ్ పైన. ఇవి మిగిలిపోయిన ఉష్ణోగ్రత దోషాల నుంచి, లాకింగ్‌లోని పక్షపాతాల నుంచి, లేక నమూనాల మధ్య నిజమైన తేడాల నుంచి వస్తున్నాయో రచయితలు ఇంకా చెప్పలేరు.

ముగింపు రేఖకు ఇంకా దూరం

ఈ అంకెలకు సందర్భం అవసరం, పత్రం దాన్ని అందిస్తుంది. ప్రమాణంగా వాడిన హైడ్రోజన్ మేజర్, స్ట్రాన్షియం గడియారాల మధ్య పోలికే అదే సగటు సమయాలపై థోరియం గడియారం కంటే పది రెట్లకు పైగా స్థిరంగా ఉంది. అనిశ్చితి లెక్కలు పాక్షికమైనవని స్పష్టంగా చెప్పారు, దీర్ఘ ప్రయోగంలోని మొదటి 14.7 గంటల్లో ఉష్ణోగ్రతను నమోదు చేయలేదు. ఈ పని విలువ సహనశక్తిలో, పరస్పర తనిఖీలో ఉంది: ఒక కేంద్రక పరివర్తనను ఒక రోజుకు పైగా పట్టుకుని ఉంచడం, మూడు ప్రయోగశాలల్లోని అదే స్ఫటికపు ముక్కలతో పోల్చడం.