Új korszak az időmérésben
A hagyományos optikai atomórák ma a pontosság csúcsát képviselik: mindössze egyetlen másodpercet tévednek 40 milliárd év alatt. Ezekben az atomok elektronugrásait számlálják, amelyeket lézerrel gerjesztenek. Azonban a nukleáris óra még összetettebb struktúrát használ: az atommag különböző energiaállapotai közötti átmenetekből származó jelet, különös tekintettel a tórium-229 izotópra, amely a kísérletek középpontjába került.
Évtizedekig rejtély volt, pontosan mekkora ez az energiaváltás, de 2024-ben a kutatók végre kimérték a frekvenciát. Ebben különösen Chuankun Zhang, a California Institute of Technology kutatója, illetve Jun Ye, a JILA kutatóintézet munkatársa jártak élen: olyan lézert használtak, amely egyszerre 30 millió különböző frekvenciával képes besugározni egy kristályt, ezzel elképesztően nagy pontossággal határozták meg a keresett átmenetet.
A lézerek harca
A nukleáris óra működéséhez nélkülözhetetlen a stabil, folyamatos, ultraibolya lézer, amelynek nagyjából 148 nanométeres hullámhosszon kell sugároznia. Azonban ilyen lézer még senkinek sincs, márpedig ez az áttörés záloga. A kínai Tsinghua Egyetemen dolgozó kutatók komoly eredményt értek el: 100 nanowatt teljesítményt sikerült előállítaniuk 148,4 nm-en, bár ehhez 550°C-ra kellett hevíteni mérgező kadmiumgőzt. Többen aggódnak a módszer hosszú távú biztonsága miatt.
Más csoportok speciális kristályokat próbálnak bevetni, amelyek képesek az optikai lézerek hullámhosszát átalakítani. Jun Ye csoportja például egyelőre 40 mikrowatt stabil teljesítményt tudott elérni, noha a használt anyagot még titok övezi. Az IPG Photonics is bekapcsolódott a kutatásba, speciális stroncium-tetraborát kristályok fejlesztésével. Más szóval, a tökéletes megoldás még várat magára, de egyre több műhely dolgozik rajta világszerte.
Stabilitás: a következő kihívás
A másik kulcsfontosságú tényező a tórium-229 stabil forrásának biztosítása. Két fő irány bontakozik ki: egyrészt milliárdnyi Th-229-ion egyetlen szilárd kristályban, másrészt csak néhány ion rendkívüli pontossággal csapdázva, extrém alacsony (mikrokelvin) hőmérsékleten.
A kristályos módszer előnye, hogy a rengeteg Th-229-ion erős, jól mérhető órajelet produkál, ám a stabilitás még akadály. Egy stabil nukleáris óra elengedhetetlen feltétele az extrém szűk átmeneti vonal – jelenleg a legjobb kristályos órák is csak 30 kilohertz szélességű jelet tudnak előállítani, ami még mindig túl széles.
Nem világos, pontosan mi okozza ezt a szélességet, ám a kutatók gyanítják, hogy a kalcium-fluorid kristály tisztasága lehet a ludas. Alternatívaként szóba kerül a vékony, könnyen tisztítható kristályréteg, vagy akár a fotósok által kedvelt tórium-tetrafluorid, illetve tórium-oxid bevonat; ezek régebbi objektíveken is feltűntek, radioaktívak – ám most egészen más szerepet kaphatnak.
Ioncsapdák: a végső pontosság záloga
A kristályos megoldások természetes korlátai miatt a legprecízebb időmérés az ioncsapdákban rejlik, ahol néhány Th-229-iont hűtenek le, lebegtetnek és külön kezelnek. Bár eddig még senkinek sem sikerült teljes körűen megvalósítani ezt a kísérletet a tórium-229-cel, a kutatók derűlátóak: már csak idő kérdése a megoldás.
Más szóval, a weblap tetején említett szuperpontos nukleáris óra már karnyújtásnyira lehet – az időmérés forradalma valóban elkezdődött.
