ساعت هسته‌ای خودتنظیم جهان در وین به کار خود آغاز کرد
در آوریل ۲۰۲۴، یک گروه تحقیقاتی به رهبری تورستن شوم در موسسه فیزیک اتمی و زیراتمی دانشگاه فناوری وین به همراه همکاری گروه اکهارد پایک در مؤسسه فدرال فیزیک و فناوری براونشوایگ، برای نخستین بار موفق به ثبت گذار هسته‌ای پیش‌بینی‌شده شدند. این پژوهشگران توانستند اثبات کنند که می‌توان هسته‌های توریم را با تابش پرتو لیزر برانگیخت. در پاییز همان سال، این تیم نشان داد که این پدیده می‌تواند به عنوان اساس ساخت ساعتی بسیار دقیق به کار رود.
در این آزمایش، سیستم برانگیختن هسته‌های توریم به یک ساعت اتمی نوری متعارف متصل گردید و هسته‌های توریم به منظور زمان‌سنجی به کار گرفته شدند. با این حال، این نمونه هنوز به عنوان یک ساعت هسته‌ای مستقل عمل نمی‌کرد که بتواند بدون اتکا به ساعت اتمی، پایداری خود را حفظ کند.
تورستن شوم، رهبر تیم پژوهشی، در بیان هدف این پروژه می‌گوید: «آنچه که واقعاً نیاز داریم، یک ساعت هسته‌ای خودپایدار است. سازوکاری که در نظر داریم بسیار ساده به نظر می‌رسد؛ ما یک لیزر و هسته‌های توریم داریم. پرتو لیزر می‌تواند حالت انرژی هسته‌های توریم را تغییر دهد و به‌نحو متقابل از این هسته‌ها برای تثبیت فرکانس لیزر استفاده نماید.»
مقدار خطا در این ساعت معادل یک ثانیه در طول ۳۰ میلیون سال محاسبه شده است.
در این طرح جدید، یک بلور شامل اتم‌های توریم که در دانشگاه فناوری وین تولید شده است، با تابش لیزر تحت تأثیر قرار می‌گیرد. نوسانات نور لیزر می‌توانند به عنوان واحد زمانی مورد استفاده قرار گیرند، اما ممکن است فرکانس آن به دلیل عواملی همچون تغییرات دما کمی تغییر کند. تغییرات این چنینی برای دقت در زمان‌سنجی مشکل ساز خواهند بود و نیاز به اصلاح پیوسته دارند.
شوم بیان می‌کند: «برای انجام اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق، به یک مکانیسم نیاز داریم که فرکانس لیزر را به‌طور کامل پایدار نگه‌دارد تا ساعت بتواند با همان دقت، به تیک‌تاک خود ادامه دهد.»
در ساعت‌های اتمی رایج، از اتم‌ها و حالت‌های انرژی الکترون‌های آن‌ها برای تثبیت فرکانس لیزر استفاده می‌شود. در ساعت هسته‌ای وین، این نقش بر عهده هسته‌های توریم است. هسته‌های توریم تنها در صورتی به نور لیزر جذب می‌شوند که فرکانس دقیقاً در محدوده مناسب قرار گیرد.
اگر فرکانس از این محدوده فاصله بگیرد، میزان جذب نور کاهش خواهد یافت. سیستم با شناسایی این تغییر، به‌طور خودکار فرکانس لیزر را تنظیم کرده و پایداری ساعت را حفظ می‌کند. این سازوکار بازخوردی، امکان ایجاد نخستین ساعت هسته‌ای خودتنظیم را فراهم آورده است که به حفظ پایداری خود، نیازی به ساعت اتمی متعارف ندارد.
به گفته شوم، به کارگیری هسته‌های اتمی به‌جای اتم‌ها از منظر بنیادی می‌تواند منجر به دقت بسیار بالاتری شود. هسته‌های اتمی کوچکتر از اتم‌ها با بیش از ۱۰ هزار برابر اندازه هستند و نسبت به اختلال‌های خارجی واکنش به مراتب ضعیف‌تری نشان می‌دهند. این خصوصیت می‌تواند هسته‌های اتمی را به مرجعی پایدارتر برای زمان‌سنجی تبدیل کند.
دقت این ساعت هسته‌ای جدید در مدت ۲۴ ساعت مورد ارزیابی قرار گرفت و تقریباً به اندازه ۱۰ به توان منفی ۱۵ است؛ به عبارت دیگر، خطای آن نزدیک به یک ثانیه در هر ۳۰ میلیون سال محسوب می‌شود. با این حال، این نتیجه به معنای برتری ساعت هسته‌ای نسبت به دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی حال حاضر نیست.
شوم نتیجه عملکرد نمونه اولیه را امیدوارکننده ارزیابی می‌کند، اما بر این نکته تأکید می‌کند که دقت این ساعت هنوز به سطح بهترین ساعت‌های اتمی نوری نرسیده است. گروه تحقیقاتی اکنون در نظر دارد با به کارگیری لیزرهای قوی‌تر و توسعه بلورهای بهتر از توریم، بهبود دقت این سیستم را هدف قرار دهد. اگر این تلاش‌ها به ثمر بنشیند، ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند به ابزارهای بسیار مهمی برای نسل آینده اندازه‌گیری‌های فوق‌دقیق تبدیل شوند.
نتایج این تحقیق در نشریه نیچر منتشر شده است.
