BİR ATOM ÇEKİRDEĞİNE AYARLI SAAT 30 SAAT ÇALIŞTI

Dünyanın en hassas saatleri, lazerlerle yoklanan atomların içindeki elektronların salınımlarını sayar. Metroloji ve temel fizik testleri için frekans referansı olarak kullanılırlar. Toryum-229 farklı türde bir sarkaç sunuyor: çekirdeğinin, izomer adı verilen ve taban durumunun yalnızca yaklaşık 8,4 elektronvolt üzerinde bulunan bir uyarılmış durumu var — bir lazerin ulaşabileceği kadar düşük. Gereken ışık vakum morötesinde, 148,4 nanometrede bulunuyor.

Yazarlara göre bu nükleer geçişe dayalı bir saat, temel etkileşimlerin olası değişimlerine özellikle duyarlı olur ve karanlık madde aramasına yardımcı olabilir. Toryumu saydam bir kalsiyum florür kristaline gömmek, küçük katı bir parçada muazzam sayıda soğurucu çekirdek sağlıyor: katı hâl nükleer saatine giden yol.

İlk değil, ama burada en uzun süre çalışan

Makale, daha önce yapılanlar konusunda titiz davranıyor. Kaynakçası nükleer floresansı, doğrudan lazer uyarımını, tarak spektroskopisini, sürekli morötesi lazerleri, soğurma spektroskopisini ve hatta başka ekiplerin bildirdiği nükleer geri besleme döngülerini sıralıyor. Bu çalışmanın eklediği şey, belirli bir kristal üzerinde uzun süre çalışan bir saat ve ölçülen spektrumu ile saatin gerçekte verdiği frekans arasında dikkatli bir bağlantı.

Anahtar soğurma. Uyarılmış çekirdeklerin bozunmasını beklemek — yavaş bir süreç — yerine ekip, kristalin ne kadar ışık yuttuğunu ölçüyor. Bu, lazerin çizginin üzerinde mi yoksa yanında mı durduğunu söyleyen hızlı bir sinyal veriyor.

Çekirdeğe ulaşmak için üç ikiye katlama

Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Pengfei Wang, Xu-Fei Yin, Yu-Ao Chen ve meslektaşları, Çin Bilimler Akademisi ve Viyana’daki TU Wien’deki ortaklarıyla birlikte, ultra kararlı bir optik kovuğa göre kararlı hâle getirilmiş 1.187 nanometrelik bir kızılötesi lazerden yola çıkıyor. Art arda üç frekans ikiye katlaması onu önce 594, sonra 297, sonra da 148,4 nanometreye dönüştürüyor. Yaklaşık 750 pikovatlık morötesi ışık, X2 adlı bir kristalden kesilmiş, 1,8 milimetre kalınlığında toryum katkılı bir kristal parçasından geçiyor. X2’nin başka parçaları Viyana’da ve JILA’da ölçüldü.

Kristalin içinde yerel elektrik alanı nükleer çizgiyi birkaç bileşene ayırıyor. Bir tür toryum bölgesinde ekip bunlardan dördünü, artı ikinci tür bir bölgeden gelen daha geniş bir rezonansı çözümlüyor. En güçlü ve en dar çizgi olan b, yalnızca 83 kilohertz genişliğinde — yaklaşık iki milyon milyar hertzlik bir frekans üzerinde.

Tek bir çizgide otuz saat

Saati çalıştırmak için sistem b çizgisinin iki yamacını yokluyor ve lazer frekansını yaklaşık her 10 saniyede bir dürtüyor. Bir stronsiyum atom saatine göre kalibre edilmiş bir hidrojen maserine referanslı bir frekans tarağı çıktıyı ölçüyor.

Döngü 30 saat dayandı — 1.061.000 ölçüm döngüsü; bunlardan yalnızca 29’u reddedildi.
Ekip, saat hâlâ kilitliyken çalışmayı durdurdu: foton hızı saniyede 5,79 milyondan 2,41 milyona düşmüştü; yazarlar bunu morötesi geçirgenliğini bozan gaz salınımına bağlıyor.
b çizgisinin ölçülen frekansı: 2.020.407.298.796,17 kilohertz, 0,13 kilohertzlik bir belirsizlikle.
Kararlılığı ortalama alma süresiyle iyileşiyor ve 10.000 saniye sonra 1,24 × 10⁻¹³’e ulaşıyor.
Başka bir bileşen olan c çizgisi üzerinde 6,6 saatlik ikinci bir çalışma da başarılı oldu.

Soğurma spektrumlarından okunan çizgi konumları ile saatin verdiği frekanslar belirsizlikleri dahilinde uyuşuyor. Ekip saati, odayı açıp optikleri yeniden hizaladıktan sonra üç kez daha yeniden başlattığında ortalama frekanslar 1,6 kilohertzlik bir aralığa yayıldı.

Aynı kristal, üç laboratuvar

Kendi parçalarını aynı kristalin Viyana’da ve JILA’da ölçülen parçalarıyla karşılaştıran ekip, sıcaklık düzeltmesinden sonra aynı çizgi örüntüsünü elde ediyor. Bazı kaymalar kalıyor: b çizgisi Viyana değerinin 11,6 kilohertz, JILA’nınkinin 6,6 kilohertz üzerinde; c çizgisi ise ikisinin de yaklaşık 30 kilohertz üzerinde. Yazarlar bunların kalan sıcaklık hatalarından mı, kilitlemedeki sapmalardan mı yoksa numuneler arasındaki gerçek farklardan mı kaynaklandığını henüz söyleyemiyor.

Bitiş çizgisinden uzak

Sayılar bağlam gerektiriyor ve makale bunu sağlıyor. Referans olarak kullanılan hidrojen maseri ile stronsiyum saati arasındaki karşılaştırmanın kendisi, aynı ortalama alma sürelerinde toryum saatinden on kattan fazla daha kararlı. Belirsizlik bütçeleri açıkça kısmi ve uzun çalışmanın ilk 14,7 saatinde sıcaklık kaydedilmedi. Bu çalışmanın değeri dayanıklılıkta ve çapraz denetimde yatıyor: bir günden uzun süre tutulan, aynı kristalin parçalarıyla üç laboratuvarda karşılaştırılan bir nükleer geçiş.