نجاح! يقوم الفيزيائيون ببناء أول ساعات في العالم تعمل بالنوى الذرية: ScienceAlert

يمكن أن يؤدي التقدم في مجال قياس الوقت الذي استغرق عقودًا من الزمن إلى إعادة تحديد حدود كيفية الحفاظ على الوقت.

باستخدام ذرات الثوريوم-229، بنى الفيزيائيون ساعات وظيفية لا تعتمد على الثوريوم تذبذبات الإلكترونات، ولكن على تحولات الطاقة ذهابًا وإيابًا للنوى الذرية نفسها.

وما يجعل هذا الإنجاز أكثر إثارة هو أنه تم تحقيقه مرتين، من قبل فريقين مستقلين من العلماء، في أوروبا والصين.

قام كلا الفريقين بتفصيل عملهما المهم في النسخ الأولية على arXiv.

“النظام المقدم في هذا العمل” يكتب الفريق بقيادة الفيزيائي لوكا توسكاني دي كول من الجامعة التقنية في فيينا، “يشكل أول تطبيق لساعة نووية تعمل كجهاز مستقل.”

الساعات الذرية, تم بناؤه لأول مرة في الخمسينياتيمكن أن يحفظ الوقت بدقة بحيث لا تضيع ثانية واحدة على مدى مليارات السنين.

إنها تحافظ على الوقت بناءً على “دقات” الإلكترونات الدقيقة أثناء تبديلها بين حالات الطاقة عند تحفيزها بالليزر.

الساعة النووية تم اقتراحه لأول مرة في عام 2003، سيقيس الوقت من خلال تتبع تغيرات الطاقة في النواة نفسها. وقد ثبت أن تحقيق ذلك أكثر صعوبة بكثير، لأن التحولات النووية تتطلب عادة طاقات أعلى بكثير من التحولات الإلكترونية، مما يجعلها بعيدة عن متناول معظم تقنيات الليزر.

ولكن هناك سبب وجيه للغاية لمتابعة تكنولوجيا الساعة النووية.

تشغل الإلكترونات المناطق الخارجية للذرة، مما يجعلها – والساعات الذرية – أكثر عرضة للتأثيرات من محيطها.

وعلى النقيض من ذلك، فإن النواة متوضعة في أعماق مركز الذرة، وهي أقل عرضة للتدخل الخارجي.

من الناحية النظرية، يمكن أن يجعل ذلك الساعات النووية أكثر استقرارًا من الساعات الذرية الحالية، بينما يحولها أيضًا إلى أدوات قوية لاستكشاف ظواهر مثل المادة المظلمة والتغيرات المحتملة في الثوابت الأساسية للطبيعة.

يعد الثوريوم-229، كما هو منصوص عليه في تلك الورقة البحثية لعام 2003، هدفًا ممتازًا لهذه التقنية لأنه يتمتع بحالة انتقالية منخفضة الطاقة بشكل استثنائي، مما يجعله في متناول التحليل الطيفي بالليزر الدقيق.

في عام 2024، حقق الباحثون في النمسا وألمانيا اختراقات متعددة، تحفيز تحول الطاقة في الثوريوم 229، إذن جعله “علامة”.

وكانت الخطوة التالية هي تطوير هذا الدق إلى ساعة فعلية يمكنها قياس الوقت.

وهذا ما فعله فريقا البحث.

قام كلا الفريقين ببناء ساعاتهما حول نوى الثوريوم 229 المدمجة في بلورات فلوريد الكالسيوم وتم استجوابها باستخدام ضوء الليزر فوق البنفسجي الفراغي. ولكن من هناك، تباينت أساليبهم.

يعمل جهاز الفريق الأوروبي كساعة قائمة بذاتها، وذلك باستخدام نواة الثوريوم لتحقيق الاستقرار المستمر لتردد الليزر.

قارن الباحثون ساعتهم بساعة ذرية مكونة من أيون الإيتربيوم، مما يدل على التشغيل والاستقرار على المدى الطويل.

كما استخدموا الساعة للبحث عن علامات افتراضية للمادة المظلمة خفيفة الوزن، ووضعوا قيودًا جديدة على العديد من النماذج المقترحة.

“بالاستفادة من الحساسية المعززة لانتقال الثوريوم-229، تتنافس هذه القيود مع أفضل الساعات الذرية فيما يتعلق باقتران المادة المظلمة بالفوتونات وتتجاوز القياسات السابقة فيما يتعلق بالاقتران بالقوة الشديدة والكواركات.” يكتبون في ورقتهم.

وفي الوقت نفسه، كان لدى الفريق الصيني، بقيادة الفيزيائي بيتشن هوانغ من جامعة تسينغهوا، تركيز مختلف قليلاً.

لقد اختبروا ساعتهم في بلورتين تم إنتاجهما بشكل مستقل لتحديد ما إذا كانت الدقّة متسقة أم لا.

أنتجت ساعاتهم ترددات متطابقة تقريبًا، مما يمثل تحديًا كبيرًا للساعات النووية ذات الحالة الصلبة.

إذا غيرت البيئة البلورية التردد النووي بشكل غير متوقع، فإن كل جهاز سيتطلب معايرته الخاصة.

وبدلا من ذلك، يشير الاتفاق الوثيق إلى أن الساعات النووية يمكن أن تصبح في نهاية المطاف معايير قابلة للتكرار بدلا من العروض المختبرية لمرة واحدة.

متعلق ب: لدينا رقم قياسي جديد للساعة الأكثر دقة على الإطلاق

“من خلال جعل نواة ذرية موجهة بالليزر مرجعًا لساعة التشغيل” يكتب الفريق الصيني“يوسع هذا العمل علم القياس الكمي من التحولات الإلكترونية إلى النووية، ويفتح منصة جديدة للساعات المدمجة، وأجهزة استشعار الكم النووية ذات الحالة الصلبة، واختبارات الدقة للفيزياء الأساسية.”

الأجهزة الجديدة لم تتفوق بعد أفضل الساعات الذرية – ولنكن صادقين، عمرها 70 عامًا – لكنها تظهر أن الساعات النووية ليست مجرد حلم نظري.

يمكنهم القيام بالعمل في العالم الحقيقي.

وإذا كان الفيزيائي في جامعة فيينا التقنية ثورستن شوم توقعات 2024 وإذا ثبت صحتها، فإنها قد تتفوق على أفضل الساعات الذرية الموجودة اليوم في غضون بضع سنوات فقط.

تم وصف الساعات في النسخ الأولية التي تم تحميلها إلى arXiv، هنا و هنا.