فیزیکدانان موفق به ساخت نخستین ساعتهای هستهای جهان شدند
ساعتهای هستهای به دلیل قرارگیری هسته در مرکز اتم و مصونیت از اختلالات محیطی، میتوانند جایگزین ساعتهای اتمی کنونی جهان شوند.
فیزیکدانان با استفاده از اتمهای توریوم-۲۲۹ (Thorium-229)، اولین ساعتهای کاربردی هستهای جهان را ساختهاند تا بزرگترین تحول چند دهه اخیر در حوزه اندازهگیری زمان را رقم بزنند. این ساعتها بهجای تکیه بر نوسان الکترونها، براساس تغییرات رفتوآمدی انرژی در خود هسته اتم کار میکنند. نکته قابلتوجه اینکه دو تیم تحقیقاتی مستقل در اروپا و چین بهطور همزمان به این دستاورد بزرگ دست یافتهاند و جزییات کار خود را منتشر کردهاند.
تیم تحقیقاتی تحت هدایت «لوکا توسکانی د کول»، فیزیکدان دانشگاه فنی وین، در مقاله خود اشاره کرده که سیستم آنها، نخستین ساعت هستهای جهان است که به عنوان یک دستگاه مستقل کار میکند.
ساعتهای اتمی که در دهه ۱۹۵۰ ساخته شدند، چنان دقیق هستند که در طول میلیاردها سال حتی یک ثانیه هم خطا ندارند. این ساعتها زمان را براساس «تیکتاک» دقیق الکترونها هنگام جابهجایی میان حالتهای انرژی (تحت تحریک لیزر) میسنجند.
در مقابل، ایده ساعت هستهای که سال ۲۰۰۳ مطرح شد، زمان را با ردیابی تغییرات انرژی در خود هسته اندازه میگیرد. دستیابی به این فناوری بسیار دشوار بود؛ زیرا تغییرات هستهای به انرژی بسیار بالاتری نسبت به تغییرات الکترونی نیاز دارند و این کار با فناوریهای لیزری معمولی غیرممکن بود.
اهمیت توسعه ساعت هستهای
اما چرا دانشمندان بهدنبال توسعه ساعت هستهای بودند؟ الکترونها در لایههای بیرونی اتم قرار دارند و به همین دلیل ساعتهای اتمی در برابر تأثیرات و اختلالات محیطی آسیبپذیر هستند. در مقابل، هسته در اعماق مرکز اتم قرار گرفته است و محیط بیرون کاری با آن ندارد. این ویژگی، ساعتهای هستهای را بسیار پایدارتر از ساعتهای اتمی امروزی میکند. علاوهبراین، ساعتهای هستهای ابزاری قدرتمند برای کشف پدیدههای پیچیده جهان، مانند ماده تاریک و تغییرات ثابتهای بنیادی طبیعت خواهند بود.
طرح شماتیک و فنی ساعت هستهای تیم اروپایی (دانشگاه فنی وین)
همانطور که در سال ۲۰۰۳ پیشبینی شده بود، توریوم-۲۲۹ بهترین گزینه برای این فناوری است؛ زیرا حالت انتقال انرژی بسیار پایینی دارد و با لیزرهای دقیق قابل دسترسی است. پس از موفقیت محققان در سال ۲۰۲۴ برای ایجاد این تیکتاک هستهای، قدم بعدی ساخت یک ساعت واقعی بود که هر دو تیم اکنون موفق به انجام آن شدهاند.
هر دو تیم، هستههای توریوم-۲۲۹ را درون کریستالهای کلسیم فلوراید قرار دادند و با نور لیزر خلأ-فرابنفش آنها را بررسی کردند. بااینحال، روش کار آنها کمی متفاوت بوده است.
تیم اروپایی یک ساعت کامل و مستقل ساخته که فرکانس لیزر را صورت مداوم پایدار نگه میداشت. آنها ساعت خود را با یک ساعت اتمی پیشرفته (یون-ایتربیوم) مقایسه کردند تا پایداری آن در طولانیمدت را ثابت کنند. این تیم حتی از ساعت خود برای ردیابی ماده تاریک فوقسبک استفاده کرد و به محدودیتهای جدیدی در مدلهای فیزیکی رسید.
طرح مربوط به محققان چینی
تیم چینی به سرپرستی «بیچن هوانگ» از دانشگاه چینهوا، تمرکز دیگری داشت. آنها ساعت خود را روی دو کریستال مختلف آزمایش کردند تا ببینند آیا تیکتاکها یکسان هستند یا خیر. ساعتهای آنها فرکانسهای کاملاً همسانی تولید کردند و چالشی بزرگ را پشت سر گذاشتند؛ چرا که اگر محیط کریستال فرکانس هسته را تغییر میداد، هر ساعت به کالیبراسیون جداگانه نیاز داشت. این آزمایش نشان داد ساعتهای هستهای میتوانند به یک استاندارد تولید انبوه و تکرارپذیر تبدیل شوند.
این دستگاههای جدید هنوز از بهترین ساعتهای اتمی که سابقهای ۷۰ ساله دارند جلو نزدهاند، اما ثابت کردهاند که ساعت هستهای دیگر یک رویای تئوری نیست و در دنیای واقعی کار میکند. اگر پیشبینی «تورستن شوم»، فیزیکدان دانشگاه وین درست باشد، این فناوری تا چند سال دیگر از تمام ساعتهای اتمی امروزی پیشی خواهد گرفت.
منبع: دیجیاتو
