Zaman ölçümünde tarihi adım: Çin'in nükleer saati Viyana'dakinden 6 kat daha kararlı

Zaman ölçümünde 70 yılı aşkın süredir standart kabul edilen atom saatlerinin ötesine geçmeyi hedefleyen nükleer saat çalışmalarında yeni sonuçlar elde edildi. Çin’deki Tsinghua Üniversitesi ekibi, dünyada çalışan ilk iki nükleer saatten biri olan deneysel sistemini Avusturya’daki Viyana Teknik Üniversitesi’nin cihazıyla karşılaştırdı. 

Her iki ekip de kristallerin içine hapsedilmiş toryum-229 çekirdeklerini kullanarak zaman ölçüm mekanizmasını elektronlardan atom çekirdeğine taşıdı. Tsinghua araştırmacıları, kendi sistemlerinin yaklaşık altı kat daha istikrarlı çalıştığını tespit etti.

ELEKTRONDAN ÇEKİRDEĞE GEÇİŞ 

Geleneksel atom saatleri elektronların enerji durumlarındaki değişimleri izlerken nükleer saatler, atom çekirdeği içindeki bir geçişi takip ediyor. Atomun çevresinde daha geniş bir alan kaplayan elektronlar dış etkenlere açık bulunuyor.

Daha küçük, sıkı bağlı ve korunaklı olan çekirdek ise dış elektrik ve manyetik alanlardan kaynaklanan parazitin azaltılmasına imkan tanıyor. Toryum-229, mevcut lazerlerin ulaşabildiği enerji düzeyindeki ultraviyole ışığa tepki vermesiyle nükleer zaman ölçümünde önemli bir avantaj sunuyor.

Diğer atom çekirdeklerinden daha düşük enerjiyle tetiklenebilen toryum-229’un lazerlerle çalıştırılması ancak 2024’te başarılmıştı.

KRİSTALLERİN SAAT SİNYALLERİ 

Tsinghua ekibi, 1.112°F’ye kadar ısıtılan kadmiyum buharıyla ürettiği ultraviyole ışığı, pirinç tanesinden küçük bir toryum katkılı kristale yönlendirdi. Kristal, yaklaşık bir katrilyon toryum çekirdeği içeriyor. Çalışmaya liderlik eden Ding Shiqian, ayrı ayrı üretilen kristallerin 10 trilyonda üç düzeyinde örtüşen, neredeyse aynı saat sinyallerini verdiğini açıkladı.

Sonuçlar, sinyalin tek bir sıra dışı kristale bağlı olmadığını gösterdi ve Colorado’daki JILA araştırmacılarının önceki ölçümleriyle eşleşti. Viyana’daki cihazda ise yaklaşık 200 kat daha fazla toryum çekirdeği içeren bir kristal kullanıldı.

Sinyal, 6 mil uzunluğundaki optik fiber üzerinden bir atom saatiyle karşılaştırıldı. Ekip, lazerin kristalden geçtiği noktaya göre sinyalin hafifçe değiştiğini ve cihazın her gün biraz farklı zaman tuttuğunu saptadı.

KARANLIK MADDE ARAYIŞI 

Nükleer saatler, doğanın temel yasalarını ve fiziksel sabitlerdeki küçük değişimleri test etmek için yeni imkanlar sunuyor. Nükleer saatlerle atom saatlerinin karşılaştırılması, karanlık madde araştırmalarında da kullanılabiliyor. Viyana ekibi cihazını bu amaçla kullandı, ancak henüz karanlık maddeye ilişkin bir kanıt elde edemedi.

HASSASİYET VE ÖLÇEKLENME 

Toryum-229’un son derece kıt olması, farklı kristal tasarımlarıyla yürütülen deneyleri sınırlayan başlıca engeller arasında bulunuyor. Nükleer saatlerin uydu navigasyonu gibi alanlarda kullanılan yerleşik sistemlerle rekabet edebilmesi için kristallerin iç kusurlarının azaltılması ve daha güçlü lazerlerin geliştirilmesi gerekiyor.

Araştırmacılar, nihai olarak kompakt tasarımlarla bu saatleri özel laboratuvarların dışına taşımayı ve kullanım alanlarını genişletmeyi hedefliyor.