دانشمندان در وین و پکن اولین ساعت های هسته ای جهان را ساختند

یک کریستال فلوراید کلسیم در نگهدارنده آن، در داخل سیستم خلاء یک ساعت هسته ای در TU Wien، در وین، اتریش دیده می شود. یک پرتو لیزر هسته‌های توریم را که در کریستال به دام افتاده است کاوش می‌کند.

وین - تیم‌های علمی که به طور جداگانه در وین و پکن کار می‌کنند، اولین دو ساعت هسته‌ای فعال در جهان را توسعه داده‌اند که آن را پیشرفت مهمی در زمان‌سنجی می‌نامند که نوید کاربردهای عملی گسترده‌ای را می‌دهد و ابزار جدیدی برای بررسی فیزیک بنیادی ارائه می‌دهد.

این دو دستگاه نشان‌دهنده نسل بعدی ساعت‌های اتمی هستند، ماشین‌های زمان‌سنجی فوق‌العاده دقیق که اولین بار در سال 1949 ساخته شدند.

این دو تیم تحقیقاتی، با تشریح دستاوردهای خود در 7 اکتبر در مقالات علمی منتشر شده در مجله Nature، گفتند که ساعت‌های هسته‌ای این پتانسیل را دارند که از بهترین ساعت‌های اتمی معمولی بهتر عمل کنند، اما هنوز این کار را انجام نداده‌اند.

آن‌ها را ساعت‌های هسته‌ای می‌نامند، نه به این دلیل که انرژی آن‌ها از همجوشی یا شکافت هسته‌ای تامین می‌شود، بلکه به این دلیل که زمان با نظارت بر نحوه تعامل نور - یک لیزر پرقدرت - با هسته یک اتم محاسبه می‌شود.

ساعت های هسته ای هر دو بر اساس شکل یا ایزوتوپ عنصر توریم به نام توریم-229 هستند که در بلورهای فلوراید کلسیم حالت جامد به دام افتاده است.

شیچیان دینگ، فیزیکدان از دانشگاه تسینگ‌هوا در چین، که به رهبری تیم در پشت ساعت پکن کمک کرد، گفت: "دو تیم به طور مستقل کار کردند و با استفاده از رویکردهای تجربی مختلف، به طور همزمان به ساعت‌های هسته‌ای توریم-229 رسیدند. من فکر می‌کنم این بسیار دلگرم‌کننده است زیرا نشان می‌دهد که این مفهوم قوی است و به یک پیاده‌سازی فنی خاص وابسته نیست."

تورستن شوم، فیزیکدان از TU Wien در اتریش، که به رهبری تیم در پشت ساعت وین کمک کرد، گفت: "ایجاد ساعت هسته ای چیزی بود که فیزیکدانان تقریبا 50 سال رویای آن را داشتند. در تیم من، ما از سال 2008 برای رسیدن به این هدف کار می کنیم."

شوم گفت که استفاده از ساعت های هسته ای را در زمینه هایی مانند ناوبری مبتنی بر ماهواره، همگام سازی انتقال داده ها، نقشه برداری و اندازه شناسی که مطالعه اندازه گیری و کاربردهای عملی آن است، پیش بینی می کند.

ساعت‌های اتمی معمولی زمان را با استفاده از لیزر یا امواج مایکروویو اندازه‌گیری می‌کنند تا ذرات زیراتمی به نام الکترون‌ها را با استفاده از عناصری مانند سزیم یا استرانسیوم بین دو سطح انرژی در پوسته اتم به عقب و جلو بپرند.

ساعت‌های هسته‌ای جدید زمان را با استفاده از لیزر اندازه‌گیری می‌کنند تا ذرات زیر اتمی به نام پروتون و نوترون را بین سطوح انرژی درون هسته یک اتم، در این مورد، توریم ۲۲۹، به عقب و جلو بپرند.

ایده این است که ردیابی این انتقال ها در داخل هسته اتم ممکن است حتی به سطوح بالاتری از دقت نسبت به ردیابی آنها در الکترون ها برسد، زیرا یک هسته اتمی بسیار کوچکتر از پوسته اطراف آن است که الکترون ها در آن قرار دارند.

شوم گفت که ساعت هسته ای هنوز با عملکرد هدف خود فاصله دارد و محققان به دنبال تکمیل این فناوری هستند.

شوم می‌گوید: «آنچه در اینجا واقعا خوب است: ساعت وین دارای کریستال‌های توریم کمی بهتر است – غلظت بالاتر، خواص نوری بهتر – در حالی که تیم پکن لیزر قوی‌تری دارد. بنابراین با کنار هم قرار دادن این اجزا، می‌توانیم ساعت بسیار بهتری بسازیم.»

بهترین ساعت‌های اتمی معمولی می‌توانند میلیاردها سال طول بکشند و تنها یک ثانیه از دست بدهند یا افزایش دهند. این دقت فوق العاده برای کاربردهایی مانند سیستم های ماهواره ای ناوبری جهانی و اینترنت، ارتباطات سلولی و فیبر نوری حیاتی بوده است.

محققان فکر می‌کنند ساعت‌های هسته‌ای، زمانی که کامل شوند، ممکن است این کار را حتی بهتر انجام دهند و می‌توانند به گونه‌ای ساخته شوند که حجم و ظریف کمتری داشته باشند.

ساعت های هسته ای نویدبخش کاوش در فیزیک بنیادی هستند. تیم وین نشان داد که ساعت آنها می تواند آزمایش فیزیک دقیقی را انجام دهد، زیرا آنها به دنبال کشف ماده تاریک، جزء مهم کیهان هستند که تا به امروز از رصد دور مانده است. این آزمایش در واقع ماده تاریک را شناسایی نکرد، اما ساعت هسته ای در سطح بهترین ساعت های اتمی انجام شد.

شوم گفت: "این امکان دسترسی به یک جهان فیزیک کاملا جدید را فراهم می کند." خبرگزاری فرانسه