یک لیزر قدرتمند به یک جت گاز می تابد و یک پلاسمای درخشان ایجاد می کند و نور ماوراء بنفش تولید می کند. نور با برهمکنش با گاز باقیمانده در محفظه خلاء، یک خط سفید قابل مشاهده به جا می گذارد. این فرآیند به دانشمندان کمک می کند تا انرژی مورد نیاز برای برانگیختن هسته توریم 229 را که هسته ساعت هسته ای آینده است، دقیقا اندازه گیری کنند.
اعتبار: چوانکون ژانگ/جیلا 
جهان زمان را با تیک ساعتهای اتمی نگه میدارد، اما نوع جدیدی از ساعت در دست توسعه – یک ساعت هستهای – میتواند نحوه اندازهگیری زمان و کاوش در فیزیک بنیادی را متحول کند.
یک تیم تحقیقاتی بینالمللی به رهبری دانشمندان JILA، مؤسسه مشترک مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و دانشگاه کلرادو بولدر، عناصر کلیدی یک ساعت هستهای را نشان دادهاند. ساعت هسته ای نوع جدیدی از دستگاه های زمان سنجی است که از سیگنال های هسته یا هسته اتم استفاده می کند. این تیم از یک لیزر فرابنفش ویژه طراحی شده برای اندازه گیری دقیق فرکانس پرش انرژی در هسته های توریم که در یک کریستال جامد تعبیه شده است، استفاده کردند. آنها همچنین از یک شانه فرکانس نوری استفاده کردند که مانند یک خط کش نور بسیار دقیق عمل می کند تا تعداد چرخه های امواج فرابنفش را که این پرش انرژی را ایجاد می کند، بشمارند. در حالی که این نمایش آزمایشگاهی یک ساعت هستهای کاملاً توسعهیافته نیست، تمام فناوریهای کلیدی برای یک ساعت را در خود دارد.
ساعتهای هستهای میتوانند بسیار دقیقتر از ساعتهای اتمی کنونی باشند، که زمان رسمی بینالمللی را ارائه میکنند و نقشهای عمدهای در فناوریها و برنامههایی مانند GPS و همگامسازی اینترنت و تراکنشهای مالی دارند. برای عموم مردم، این توسعه در نهایت میتواند به معنای سیستمهای ناوبری دقیقتر (با یا بدون GPS)، سرعت اینترنت سریعتر، اتصالات شبکه قابل اطمینانتر و ارتباطات دیجیتال امنتر باشد.
فراتر از فناوری روزمره، ساعتهای هستهای میتوانند آزمایشهای نظریههای بنیادی را برای نحوه عملکرد جهان بهبود بخشند و به طور بالقوه منجر به اکتشافات جدید در فیزیک شوند. آنها می توانند به شناسایی ماده تاریک کمک کنند یا تأیید کنند که آیا ثابت های طبیعت واقعاً ثابت هستند یا خیر، که امکان تأیید تئوری ها در فیزیک ذرات را بدون نیاز به تأسیسات شتاب دهنده ذرات در مقیاس بزرگ فراهم می کند.
دقت لیزر در زمان سنجی
ساعتهای اتمی با تنظیم نور لیزر به فرکانسهایی که باعث میشوند الکترونها بین سطوح انرژی پرش کنند، زمان را اندازهگیری میکنند. ساعتهای هستهای از پرشهای انرژی در ناحیه مرکزی کوچک اتم، معروف به هسته، استفاده میکنند، جایی که ذراتی به نام پروتون و نوترون به هم چسبیدهاند. این پرش های انرژی بسیار شبیه به چرخاندن کلید چراغ هستند. تابش نور لیزر با مقدار دقیق انرژی مورد نیاز برای این پرش می تواند این “سوئیچ” هسته ای را برگرداند.
اعتبار:
N. Hanacek/NIST
یک ساعت هسته ای مزایای عمده ای برای دقت ساعت خواهد داشت. در مقایسه با الکترونهای موجود در ساعتهای اتمی، هسته بسیار کمتر تحت تأثیر اختلالات بیرونی مانند میدانهای الکترومغناطیسی سرگردان قرار میگیرد. نور لیزر مورد نیاز برای ایجاد جهش انرژی در هستهها از نظر فرکانس بسیار بالاتر از ساعتهای اتمی است. این فرکانس بالاتر – به معنی چرخه موج بیشتر در هر ثانیه – به طور مستقیم با تعداد بیشتری “تیک” در ثانیه مرتبط است و بنابراین منجر به زمانبندی دقیقتر میشود.
اما ایجاد یک ساعت هسته ای بسیار سخت است. برای ایجاد پرش های انرژی، بیشتر هسته های اتم باید توسط پرتوهای ایکس منسجم (نوعی نور با فرکانس بالا) با انرژی بسیار بیشتر از انرژی هایی که با فناوری فعلی تولید می شوند، مورد اصابت قرار گیرند. بنابراین دانشمندان روی توریم-229 تمرکز کردهاند، اتمی که هسته آن پرش انرژی کمتری نسبت به هر اتم شناختهشده دیگری دارد و به نور فرابنفش (که انرژی کمتری نسبت به اشعه ایکس دارد) نیاز دارد.
در سال 1976، دانشمندان این پرش انرژی توریم را کشف کردند که در زبان فیزیک به عنوان “انتقال هسته ای” شناخته می شود. در سال 2003، دانشمندان پیشنهاد کردند که از این انتقال برای ایجاد یک ساعت استفاده کنند، اما تا سال 2016 مستقیماً آن را مشاهده نکردند. در اوایل امسال، دو مورد متفاوت تیم های تحقیقاتی از لیزرهای فرابنفش که در آزمایشگاه ایجاد کردند برای چرخاندن “سوئیچ” هسته ای و اندازه گیری طول موج نور مورد نیاز برای آن استفاده کردند.
در کار جدید، محققان JILA و همکارانشان تمام بخشهای ضروری یک ساعت را ایجاد میکنند: انتقال هستهای توریم-229 برای ارائه تیکهای ساعت، لیزری برای ایجاد پرشهای انرژی دقیق بین حالتهای کوانتومی منفرد هسته. و یک شانه فرکانس برای اندازهگیری مستقیم این «تیکها». این تلاش به سطحی از دقت دست یافته است که یک میلیون برابر بیشتر از اندازه گیری مبتنی بر طول موج قبلی است. علاوه بر این، آنها این فرکانس فرابنفش را مستقیماً با فرکانس نوری مورد استفاده در یکی از دقیقترین ساعتهای اتمی جهان، که از اتمهای استرانسیم استفاده میکند، مقایسه کردند و اولین پیوند فرکانس مستقیم بین انتقال هستهای و ساعت اتمی را ایجاد کردند. این پیوند فرکانس مستقیم و افزایش دقت، گامی مهم در توسعه ساعت هسته ای و ادغام آن با سیستم های زمان سنجی موجود است.
این تحقیقات قبلاً نتایج بیسابقهای را به همراه داشته است، از جمله توانایی مشاهده جزئیات در شکل هسته توریم که هیچکس قبلاً آن را مشاهده نکرده بود – مانند دیدن تیغههای علف از یک هواپیما.
این تیم نتایج خود را در شماره 4 سپتامبر مجله ارائه می کند طبیعت به عنوان یک داستان جلد
به سوی آینده هسته ای
در حالی که این هنوز یک ساعت هسته ای کارآمد نیست، اما گامی حیاتی در جهت ایجاد چنین ساعتی است که هم قابل حمل و هم بسیار پایدار باشد. استفاده از توریم تعبیه شده در یک کریستال جامد، همراه با کاهش حساسیت هسته به اختلالات خارجی، راه را برای دستگاههای زمانسنجی بالقوه فشرده و قوی هموار میکند.
Jun Ye، فیزیکدان NIST و JILA گفت: «یک ساعت مچی را تصور کنید که حتی اگر آن را برای میلیاردها سال کار کند، یک ثانیه از دست نمیدهد. “در حالی که ما هنوز کاملاً به آنجا نرسیده ایم، این تحقیق ما را به آن سطح از دقت نزدیکتر می کند.”
تیم تحقیقاتی شامل محققانی از JILA، مرکز علوم و فناوری کوانتومی وین و IMRA America Inc.
مقاله: Chuankun Zhang، Tian Ooi، Jacob S. Higgins، Jack F. Doyle، Lars von der Wense، Kjeld Beeks، Adrian Leitner، Georgy Kazakov، Peng Li، Peter G. Thirolf، Thorsten Schumm و Jun Ye. نسبت فرکانس از 229 مترانتقال ایزومر هسته ای و 87ساعت اتمی Sr. طبیعت. منتشر شده آنلاین در 4 سپتامبر 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07839-6
Source link
