Nincs ingája, és nem hallani a ketyegését. Mégis új fejezetet nyitott az időmérésben a bécsi atommagóra: a kutatók olyan prototípust építettek, amely több mint 24 órán keresztül stabilan működött emberi beavatkozás nélkül.
Már ketyeg a bécsi atommagóra: új fejezet kezdődhet az időmérésben
A berendezés szívében egy tóriumot tartalmazó kristály áll. Az időméréshez használt ritmus referenciáját az atommag egyik különleges energiaátmenete adja. A Bécsi Műszaki Egyetem, a TU Wien és a német szövetségi metrológiai intézet, a PTB közös munkájának eredményét október 7-én közölte a Nature. A bécsi egyetem másnap ismertette az áttörést.
Egy szinttel beljebb az atomban
A hagyományos atomórák az elektronokhoz kapcsolódó energiaátmenetekre támaszkodnak. A bécsi berendezés mélyebbre lép, a tórium–229 atommagját használja.
Ez azért különleges, mert az atommagok energiaállapotai közötti különbség általában túl nagy a szokásos lézerekkel történő gerjesztéshez. A tórium–229 kivétel, mivel két állapota annyira közel van egymáshoz, hogy megfelelő ultraibolya fénnyel elérhető az átmenet.
A mostani kísérletben 148 nanométeres hullámhosszú lézerfényt használnak. A tórium atommagjai egy milliméteres méretű, szobahőmérsékletű kalcium-fluorid-kristályban helyezkednek el. Az óra alapjául szolgáló folyamat tehát egy meghatározott energiaátmenet követése.
Húsz év keresés után kellett még egy döntő lépés
Ekkehard Peik és Christian Tamm 2003-ban javasolta a tóriumalapú atommagóra elvét. A működéshez szükséges lézerfrekvencia megtalálása azonban hosszú kutatómunkát igényelt. A PTB és Thorsten Schumm bécsi csapata 2024-ben érte el a közvetlen lézeres gerjesztés áttörését.
Ettől még nem állt készen az önálló óra. A korábbi kísérletben megvilágították a kristályt, majd elzárták a lézert, és figyelték a gerjesztett atommagok által kibocsátott fényt. Ez lassú eljárás volt, hiszen nem adott elég gyors visszajelzést ahhoz, hogy folyamatosan szabályozzák a lézer ritmusát.
A megoldást egy új, folyamatosan működő lézerrendszer és más mérési módszer hozta. A kutatók már a fény elnyelését figyelik, így nem kell megszakítaniuk a megvilágítást. A jelből gyorsan korrigálhatják a lézer frekvenciáját. A megfigyelt atommagból az óra szabályozója lett.
Az óra saját maga igazítja helyre a ritmusát
A lézer frekvenciája külső hatások miatt kissé eltolódhat. Az atommagok akkor nyelik el megfelelően a fényt, ha a frekvencia illeszkedik az energiaátmenethez. Ha elcsúszik, az elnyelés megváltozik, a visszacsatolás pedig helyreigazítja a lézert.
A „ketyegés” ezért itt képletes, a fény rezgéseiből nyerhető időjel. A döntő eredmény az, hogy a rendszer ezt a ritmust a saját atommag-referenciájához igazítja. Egy hagyományos optikai atomórával összehasonlították a teljesítményét, de az önszabályozásához nincs szüksége arra, hogy egy másik atomóra adja a tempót.
Harmincmillió év, amit senki sem várt végig
A TU Wien az egy napos vizsgálat során elért, nagyjából 10⁻¹⁵ nagyságrendű relatív frekvenciastabilitást úgy szemléltette: ez körülbelül egy másodperc eltérésnek felelne meg harmincmillió év alatt.
Ez természetesen nem többmillió éves próba, és nem garancia a berendezés ilyen hosszú működésére. A mérési eredmény érzékeltetésére szolgáló arány. A prototípus még nem éri el a legjobb optikai atomórák teljesítményét. Erősebb lézerektől és jobb kristályoktól várják a további javulást.
Az időn keresztül a sötét anyagig
Az új óra a természeti törvények vizsgálatához is eszközt adhat. A Nature-tanulmányban a kutatók az atommag energiaátmenetének változásait keresték, hogy korlátozzák az ultrakönnyű sötét anyag egyes elméleti modelljeit. Ez nem a sötét anyag felfedezése: annak vizsgálata, milyen feltételezett hatások férnek össze a mérési eredményekkel.
Bécsben tehát egy új mérési elv állta ki a működés próbáját. A szerkezet még nem a világ legpontosabb órája. De a néma kristály már tartja az ütemet – és a kutatók ebből a ritmusból szeretnének többet megtudni a világról.
