ایٹم کے مرکزے سے ہم آہنگ گھڑی 30 گھنٹے چلتی رہی
دنیا کی سب سے درست گھڑیاں ایٹموں کے اندر الیکٹرانوں کے ارتعاشات گنتی ہیں، جنہیں لیزروں سے جانچا جاتا ہے۔ یہ پیمائشیات (میٹرولوجی) اور بنیادی طبیعیات کی جانچ کے لیے فریکوئنسی کے معیار کا کام دیتی ہیں۔ تھوریم-229 ایک مختلف قسم کا پنڈولم پیش کرتا ہے: اس کے مرکزے کی ایک برانگیختہ حالت ہے، جسے آئسومر کہتے ہیں، جو اس کی بنیادی حالت سے صرف تقریباً 8.4 الیکٹران وولٹ اوپر ہے — اتنی کم کہ لیزر وہاں تک پہنچ سکے۔ درکار روشنی ویکیوم الٹرا وائلٹ میں، 148.4 نینو میٹر پر ہے۔
مصنفین کے مطابق اس جوہری انتقال پر بنی گھڑی بنیادی تعاملات میں ممکنہ تبدیلیوں کے لیے خاص طور پر حساس ہوگی، اور تاریک مادے کی تلاش میں مدد دے سکتی ہے۔ تھوریم کو کیلشیم فلورائیڈ کے شفاف قلم میں پیوست کرنے سے ٹھوس مادے کے ایک چھوٹے سے ٹکڑے میں جذب کرنے والے مرکزوں کی بے پناہ تعداد مل جاتی ہے: یہی ٹھوس حالت کی جوہری گھڑی کا راستہ ہے۔
پہلی نہیں، مگر یہاں سب سے طویل چلنے والی
مقالہ اس بارے میں محتاط ہے کہ پہلے کیا ہو چکا ہے۔ اس کے حوالوں میں جوہری فلوریسنس، براہِ راست لیزر برانگیختگی، فریکوئنسی کنگھی اسپیکٹروسکوپی، مسلسل الٹرا وائلٹ لیزر، جذب اسپیکٹروسکوپی اور یہاں تک کہ دوسری ٹیموں کے بیان کردہ جوہری فیڈ بیک چکر بھی شامل ہیں۔ یہ کام جو اضافہ کرتا ہے وہ ایک ایسی گھڑی ہے جو کسی ایک مخصوص قلم پر طویل عرصے تک چلتی ہے، اور اس کے ناپے گئے اسپیکٹرم اور گھڑی کی اصل فراہم کردہ فریکوئنسی کے درمیان ایک محتاط ربط۔
جذب ہی کنجی ہے۔ برانگیختہ مرکزوں کے زوال کا انتظار کرنے کے بجائے — جو ایک سست عمل ہے — ٹیم یہ ناپتی ہے کہ قلم کتنی روشنی نگل جاتا ہے۔ اس سے ایک تیز سگنل ملتا ہے جو بتاتا ہے کہ لیزر لکیر پر ہے یا اس کے پہلو میں۔
مرکزے تک پہنچنے کے لیے تین بار دوگنا
یونیورسٹی آف سائنس اینڈ ٹیکنالوجی آف چائنا کے پینگ فے وانگ (Pengfei Wang)، شو فے یِن (Xu-Fei Yin)، یو آؤ چن (Yu-Ao Chen) اور ان کے ساتھی، چینی اکیڈمی آف سائنسز اور ویانا کی TU Wien کے شراکت داروں کے ساتھ، 1,187 نینو میٹر کے ایک انفراریڈ لیزر سے آغاز کرتے ہیں جسے ایک انتہائی مستحکم بصری کیویٹی پر مستحکم کیا گیا ہے۔ فریکوئنسی کو یکے بعد دیگرے تین بار دوگنا کرنے سے یہ پہلے 594، پھر 297، اور پھر 148.4 نینو میٹر بن جاتی ہے۔ پھر تقریباً 750 پیکو واٹ الٹرا وائلٹ روشنی تھوریم ملے قلم کے 1.8 ملی میٹر موٹے ایک ٹکڑے سے گزرتی ہے، جو X2 نامی ایک قلم سے کاٹا گیا ہے۔ X2 کے دوسرے ٹکڑوں کی پیمائش ویانا اور JILA میں کی جا چکی ہے۔
قلم کے اندر مقامی برقی میدان جوہری لکیر کو کئی اجزاء میں تقسیم کر دیتا ہے۔ تھوریم کے ایک قسم کے مقامات پر ٹیم ان میں سے چار کو الگ الگ پہچانتی ہے، اور دوسری قسم کے مقامات سے ایک زیادہ چوڑی گونج کو بھی۔ سب سے مضبوط اور سب سے باریک لکیر، جسے b کہا گیا ہے، صرف 83 کلو ہرٹز چوڑی ہے — جبکہ فریکوئنسی تقریباً بیس لاکھ ارب ہرٹز ہے۔
ایک لکیر پر تیس گھنٹے
گھڑی چلانے کے لیے نظام لکیر b کی دونوں ڈھلوانوں کو جانچتا ہے اور تقریباً ہر 10 سیکنڈ بعد لیزر کی فریکوئنسی میں ہلکی سی تبدیلی کرتا ہے۔ ایک فریکوئنسی کنگھی، جس کا حوالہ اسٹرانشیم ایٹمی گھڑی سے کیلیبریٹ کیا گیا ہائیڈروجن میزر ہے، حاصل شدہ فریکوئنسی کو ناپتی ہے۔
- یہ چکر 30 گھنٹے قائم رہا — 10 لاکھ 61 ہزار پیمائشی چکر، جن میں سے صرف 29 مسترد کیے گئے۔
- ٹیم نے یہ دور اس وقت روکا جب گھڑی ابھی جمی ہوئی تھی: فوٹون کی شرح 57.9 لاکھ سے گر کر 24.1 لاکھ فی سیکنڈ رہ گئی تھی، جسے مصنفین گیس کے اخراج سے الٹرا وائلٹ ترسیل میں خرابی سے منسوب کرتے ہیں۔
- لکیر b کی ناپی گئی فریکوئنسی: 2,020,407,298,796.17 کلو ہرٹز، جس میں 0.13 کلو ہرٹز کی غیر یقینی ہے۔
- اوسط کے وقت کے ساتھ اس کا استحکام بہتر ہوتا ہے اور 10,000 سیکنڈ کے بعد 1.24 × 10⁻¹³ تک پہنچ جاتا ہے۔
- ایک اور جزو، لکیر c، پر 6.6 گھنٹے کا دوسرا دور بھی کامیاب رہا۔
جذب کے اسپیکٹرا سے پڑھی گئی لکیروں کی جگہیں اور گھڑی کی فراہم کردہ فریکوئنسیاں اپنی غیر یقینیوں کی حد میں متفق ہیں۔ جب ٹیم نے چیمبر کھولنے اور آپٹکس کو دوبارہ سیدھا کرنے کے بعد گھڑی کو مزید تین بار دوبارہ شروع کیا تو اوسط فریکوئنسیاں 1.6 کلو ہرٹز کی حد میں بکھری رہیں۔
ایک ہی قلم، تین تجربہ گاہیں
درجۂ حرارت کی تصحیح کے بعد اپنے ٹکڑے کا موازنہ ویانا اور JILA میں ناپے گئے اسی قلم کے ٹکڑوں سے کرنے پر ٹیم کو لکیروں کا وہی نقشہ ملتا ہے۔ کچھ فرق باقی رہتے ہیں: لکیر b ویانا کی قدر سے 11.6 کلو ہرٹز اور JILA کی قدر سے 6.6 کلو ہرٹز اوپر ہے؛ لکیر c دونوں سے تقریباً 30 کلو ہرٹز اوپر۔ مصنفین ابھی یہ نہیں بتا سکتے کہ یہ درجۂ حرارت کی باقی ماندہ غلطیوں سے ہیں، لاکنگ میں جھکاؤ سے، یا نمونوں کے درمیان حقیقی فرق سے۔
منزل ابھی دور ہے
ان اعداد کو سیاق و سباق کی ضرورت ہے، اور مقالہ یہ فراہم کرتا ہے۔ حوالے کے طور پر استعمال ہونے والے ہائیڈروجن میزر اور اسٹرانشیم گھڑی کا باہمی موازنہ خود اسی اوسط کے وقت پر تھوریم گھڑی سے دس گنا سے زیادہ مستحکم ہے۔ غیر یقینی کے میزانیے واضح طور پر نامکمل ہیں، اور طویل دور کے پہلے 14.7 گھنٹوں کے دوران درجۂ حرارت ریکارڈ نہیں کیا گیا۔ اس کام کی قدر اس کی پائیداری اور باہمی جانچ میں ہے: ایک جوہری انتقال، جو ایک دن سے زیادہ قائم رکھا گیا، اور تین تجربہ گاہوں میں اسی قلم کے ٹکڑوں سے موازنہ کیا گیا۔