Foto: AI/ScienceDaily.com

V laboratoři ve Vídni se odehrává tichá revoluce. Vědci zde postavili první jaderné hodiny, které se dokáží samy stabilizovat, a tím přinášejí zcela novou úroveň přesnosti v měření času. Tato technologie by mohla jednou překonat i ty nejpřesnější atomové hodiny, které dnes používáme.

Autor původního článku: redakce

Thorium jako klíč k budoucnosti

Namísto spoléhání se na elektrony v atomech, jaderné hodiny využívají drobné jádra atomů thoria. Tato jádra jsou mnohem méně citlivá na vnější rušení, což je činí ideálními pro extrémně přesné měření času. Hodiny mohou pracovat stabilně více než 24 hodin bez zásahu.

Průlom spočívá v neobvyklé vlastnosti jader thoria, kterou vědci zkoumají již desítky let. Jádra atomů mohou existovat v různých energetických stavech, ale přechod mezi těmito stavy obvykle vyžaduje obrovské množství energie. Thorium je vzácnou výjimkou. Dvě z jeho jaderných energetických stavů jsou odděleny neobvykle malou energetickou mezerou, což umožňuje vyvolat přechod mezi nimi pomocí laserového světla.

První experimentální úspěchy

V dubnu 2024 tým vedený profesorem Thorstenem Schummem z Institutu atomové a subatomové fyziky na TU Wien, ve spolupráci s týmem profesora Ekkeharda Peika z PTB Braunschweig, poprvé experimentálně identifikoval tento dlouho hledaný jaderný přechod. Ukázali, že laserové paprsky mohou excitovat jádra thoria.

Na podzim roku 2024 vědci spojili své zařízení pro excitaci thoria s konvenčními optickými atomovými hodinami, čímž demonstrovali, že jádra mohou sloužit jako vysoce přesný časový referenční bod. Přesto však chyběla jedna klíčová schopnost: schopnost udržet si vlastní přesnost nezávisle.

Samostabilizující jaderné hodiny

„Co opravdu chcete, jsou samostabilizující jaderné hodiny,“ vysvětluje profesor Thorsten Schumm. „Základní myšlenka je jednoduchá: máte laser a máte thorium. Laser mění energetický stav jader thoria a tato jádra se používají ke stabilizaci frekvence laseru.“

Aby to bylo možné, vědci vyvinuli systém postavený na speciálním krystalu obsahujícím atomy thoria, vyrobeném na TU Wien. Laser svítí na krystal a interaguje s jádry thoria uvnitř. Světlo laseru osciluje na určité frekvenci, poskytující pravidelný rytmus, který lze použít k měření času.

„Oscilace tohoto laserového světla může být použita pro měření času, ale frekvence laseru se může mírně posunout, například kvůli teplotním výkyvům,“ vysvětluje Thorsten Schumm. „Pro vysoce přesná měření proto potřebujete mechanismus, který udrží frekvenci laseru přesně stabilní, aby hodiny tikaly s přesně stejným rytmem.“

Výsledky a budoucí výzvy

Potenciální výhoda jaderných hodin spočívá v mimořádných vlastnostech atomových jader. „Velkou výhodou nových jaderných hodin ve Vídni je, že pokud použijete atomová jádra místo atomů, je v principu možná mnohem vyšší přesnost,“ říká Thorsten Schumm. Atomová jádra jsou více než 10 000krát menší než atomy. Díky své extrémně malé velikosti jsou mnohem méně ovlivněna vnějšími vlivy, které mohou narušit přesná měření.

Pro vyhodnocení svého prototypu vědci měřili jeho výkon během dne. Jaderné hodiny dosáhly relativní přesnosti přibližně 10 na minus 15, což odpovídá chybě přibližně jedné sekundy za 30 milionů let. Tento údaj popisuje měřenou přesnost hodin, nikoli skutečný test trvající miliony let. Přesto ilustruje pozoruhodnou přesnost, které vědci již dosáhli s raným prototypem.

Nové hodiny zatím nejsou tak přesné jako světově vedoucí optické atomové hodiny, které zůstávají měřítkem pro vysoce výkonné měření času. „To ještě není na úrovni nejlepších optických atomových hodin na světě, ale pro první prototyp je to fantastický výsledek,“ říká Thorsten Schumm.

Budoucnost měření času

Vědci věří, že jejich jaderné hodiny mají značný prostor pro zlepšení. Použitím výkonnějších laserů a vývojem kvalitnějších thorium krystalů doufají, že výrazně zvýší jejich přesnost. Tyto upgrady by mohly nakonec umožnit jaderným hodinám překonat stávající atomové hodiny a stanovit nový standard pro měření času.

Důsledky přesahují pouhé vytvoření lepších hodin. Přesnější měření času může také zlepšit měření dalších fyzikálních veličin, poskytující vědcům stále citlivější nástroje pro zkoumání základních vlastností přírody. Prozatím úspěch týmu z Vídně demonstruje, že dlouho sledovaný vědecký koncept může fungovat jako samostatný systém měření času. S prvními samostabilizujícími jadernými hodinami na světě, které nyní běží nezávisle, vědci udělali důležitý krok směrem k budoucnosti, ve které lze čas měřit s bezprecedentní přesností.