Kronometre teknolojisinde yıllardır süregelen bir atılım, zamanı tutma sınırlarımızı yeniden tanımlayabilir. Fizikçiler, atom çekirdeklerinin enerji değişimlerini kullanarak çalışan, dünyanın ilk işlevsel nükleer saatlerini geliştirmeyi başardı.
Bu çığır açan başarı, elektronların salınımı yerine, atom çekirdeklerinin kendi içindeki enerji geçişlerine dayanan saatlerin temelini oluşturuyor. Elde edilen sonuçlar, daha önce Avrupa ve Çin'de bağımsız olarak çalışan iki bilim insanı ekibi tarafından duyuruldu.
Bu iki ekip de çalışmalarını duyuran ön baskıları arXiv platformunda paylaştı. Viyana Teknik Üniversitesi'nden fizikçi Luca Toscani De Col liderliğindeki ekip, geliştirdikleri sistemin bağımsız çalışan ilk nükleer saat olma özelliğini taşıdığını belirtti.
İlk kez 1950'lerde geliştirilen atom saatleri, milyarlarca yıl boyunca bir saniye bile şaşmayacak kadar hassastır. Bu saatler, lazerle uyarıldığında enerji durumları arasında geçiş yapan elektronların hassas 'tıklamalarına' dayanır.
2003 yılında ortaya atılan nükleer saat fikri ise, zamanı atom çekirdeğindeki enerji değişimlerini izleyerek ölçmeyi amaçlıyor. Ancak bu, nükleer geçişlerin genellikle elektron geçişlerinden çok daha yüksek enerji gerektirmesi nedeniyle, çoğu lazer teknolojisinin erişiminin dışında kaldığı için oldukça zorlu bir süreç oldu.
Bununla birlikte, nükleer saat teknolojisinin peşinden gitmek için çok önemli bir neden var. Elektronlar atomun dış bölgelerinde yer alırken, bu da onları ve dolayısıyla atom saatlerini çevre etkilerine daha duyarlı hale getiriyor. Buna karşılık, atom çekirdeği atomun merkezinde derinlemesine korunur ve dış müdahalelere karşı çok daha az hassastır.
Teorik olarak bu durum, nükleer saatleri günümüz atom saatlerinden bile daha kararlı hale getirebilir. Aynı zamanda onları, karanlık madde gibi olguları ve doğanın temel sabitlerindeki olası değişimleri incelemek için güçlü araçlar haline getirebilir.
2003 tarihli makalede de belirtildiği gibi, toryum-229 bu teknoloji için mükemmel bir adaydır. Çünkü olağanüstü düşük enerjili bir geçiş durumuna sahiptir ve bu da onu hassas lazer spektroskopisi ile ulaşılabilir kılar.
2024 yılında Avusturya ve Almanya'daki araştırmacılar, toryum-229'daki enerji geçişini tetikleme ve onu 'tıklatmayı' başarma konusunda birçok atılım gerçekleştirdi. Bir sonraki adım ise bu tıklamayı zamanı tutabilen gerçek bir saate dönüştürmekti.
İşte iki araştırma ekibinin tam olarak yaptığı da bu oldu. Her iki ekip de saatlerini, kalsiyum florür kristallerine gömülü ve vakum-morötesi lazer ışığıyla incelenen toryum-229 çekirdekleri etrafında inşa etti. Ancak bundan sonra yaklaşımları farklılaştı.
Avrupa ekibinin cihazı, toryum çekirdeğini kullanarak bir lazer frekansını sürekli olarak dengeleyen tam bağımsız bir saat olarak çalıştı. Araştırmacılar, saatlerini yerleşik bir iterbiyum iyonlu atom saatiyle karşılaştırarak uzun süreli operasyon ve kararlılık gösterdiler. Ayrıca saatlerini varsayımsal ultralight karanlık madde belirtileri aramak için kullanarak, önerilen modeller üzerinde yeni sınırlamalar belirlediler.
Avrupa ekibi, makalelerinde toryum-229 geçişinin artan hassasiyetinden yararlanarak elde ettikleri sınırlamaların, karanlık madde ile fotonlar arasındaki eşleşme konusunda en iyi atom saatleriyle rekabet ettiğini ve güçlü kuvvet ve kuarklarla eşleşme konusunda önceki ölçümleri aştığını belirtti.
Bu sırada, Tsinghua Üniversitesi'nden fizikçi Beichen Huang liderliğindeki Çin ekibinin biraz farklı bir odak noktası vardı. Saatlerini, tıklamanın tutarlı olup olmadığını belirlemek için bağımsız olarak üretilmiş iki kristalde test ettiler. Saatleri neredeyse aynı frekansları verdi ve bu da katı hal nükleer saatler için büyük bir zorluğun üstesinden gelindiğini gösterdi.
Eğer kristal ortam nükleer frekansı tahmin edilemez bir şekilde değiştirecek olsaydı, her cihaz kendi kalibrasyonunu gerektirecekti. Bunun yerine, yakın uyum, nükleer saatlerin nihayetinde tek seferlik laboratuvar gösterileri yerine tekrarlanabilir standartlar haline gelebileceğini düşündürüyor.
Çin ekibi, lazerle adreslenen atom çekirdeğini işlevsel bir saat referansı haline getirerek, kuantum metrojiyi elektronik geçişlerden nükleer geçişlere genişlettiğini ve kompakt saatler, katı hal nükleer kuantum sensörleri ve temel fiziklerin hassas testleri için yeni bir platform açtığını ifade etti.
Yeni geliştirilen bu saatler henüz en iyi atom saatlerini geride bırakmış olmasa da (ki dürüst olalım, bu saatlerin 70 yıllık bir başlangıç avantajı var), nükleer saatlerin sadece teorik bir hayal olmadığını gösteriyorlar. Gerçek dünyada işe yarayabiliyorlar ve işe yarıyorlar.
Ve Viyana Teknik Üniversitesi fizikçisi Thorsten Schumm'un 2024'teki tahmini doğru çıkarsa, sadece birkaç yıl içinde bugünün en iyi atom saatlerini bile geride bırakabilirler.
Bu saatler, arXiv'e yüklenen ön baskılarda detaylandırılmıştır.
