Επιστημονικές ομάδες στη Βιέννη και το Πεκίνο, εργαζόμενες ανεξάρτητα η μία από την άλλη, ανέπτυξαν τα δύο πρώτα λειτουργικά πυρηνικά ρολόγια στον κόσμο, σε αυτό που χαρακτηρίζουν σημαντική εξέλιξη στη μέτρηση του χρόνου, η οποία υπόσχεται ένα ευρύ φάσμα πρακτικών εφαρμογών και προσφέρει ένα νέο εργαλείο για τη μελέτη της θεμελιώδους φυσικής.
Οι δύο συσκευές αντιπροσωπεύουν την επόμενη γενιά των ατομικών ρολογιών, των εξαιρετικά ακριβών συστημάτων μέτρησης του χρόνου που δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά το 1949. Οι δύο ερευνητικές ομάδες, παρουσιάζοντας τα επιτεύγματά τους την Τετάρτη σε επιστημονικές δημοσιεύσεις στο περιοδικό Nature, ανέφεραν ότι τα πυρηνικά ρολόγια έχουν τη δυνατότητα να ξεπεράσουν σε ακρίβεια τα καλύτερα συμβατικά ατομικά ρολόγια, αν και προς το παρόν δεν το έχουν ακόμη καταφέρει.
Ονομάζονται πυρηνικά ρολόγια όχι επειδή λειτουργούν με πυρηνική σύντηξη ή σχάση, όπως θα μπορούσε να υποθέσει κάποιος που δεν είναι ειδικός, αλλά επειδή ο χρόνος υπολογίζεται παρακολουθώντας τον τρόπο με τον οποίο το φως –μια ισχυρής ισχύος δέσμη λέιζερ– αλληλεπιδρά με τον πυρήνα ενός ατόμου. Και τα δύο πυρηνικά ρολόγια βασίζονται σε μια μορφή, ή ισότοπο, του στοιχείου θόριο, το θόριο-229, το οποίο έχει παγιδευτεί σε κρυστάλλους φθοριούχου ασβεστίου στερεάς κατάστασης.
«Οι δύο ομάδες εργάστηκαν ανεξάρτητα και έφτασαν στην κατασκευή λειτουργικών πυρηνικών ρολογιών θορίου-229 την ίδια χρονική περίοδο, χρησιμοποιώντας διαφορετικές πειραματικές προσεγγίσεις. Πιστεύω ότι αυτό είναι πολύ ενθαρρυντικό, επειδή δείχνει ότι η ιδέα είναι αξιόπιστη και δεν εξαρτάται από μία συγκεκριμένη τεχνική υλοποίηση», δήλωσε ο φυσικός Σιτσιάν Ντινγκ του Πανεπιστημίου Τσινγκχουά στην Κίνα, ο οποίος συμμετείχε στην ηγεσία της ομάδας που ανέπτυξε το ρολόι του Πεκίνου.
«Η δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού ήταν κάτι που οι φυσικοί ονειρεύονταν για σχεδόν 50 χρόνια. Στην ομάδα μου εργαζόμαστε προς αυτόν τον στόχο από το 2008», δήλωσε ο φυσικός Τόρστεν Σουμ του TU Wien στην Αυστρία, ο οποίος συμμετείχε στην ηγεσία της ομάδας που ανέπτυξε το ρολόι της Βιέννης.
Ο Σουμ δήλωσε ότι βλέπει πιθανές εφαρμογές των πυρηνικών ρολογιών σε τομείς όπως η δορυφορική πλοήγηση, ο συγχρονισμός της μεταφοράς δεδομένων, οι τοπογραφικές μετρήσεις και η μετρολογία, δηλαδή η επιστήμη της μέτρησης και των πρακτικών εφαρμογών της.
Τα συμβατικά ατομικά ρολόγια μετρούν τον χρόνο χρησιμοποιώντας λέιζερ ή μικροκύματα για να προκαλούν σε υποατομικά σωματίδια, τα οποία ονομάζονται ηλεκτρόνια, μεταβάσεις μεταξύ δύο ενεργειακών επιπέδων στο ηλεκτρονιακό νέφος ενός ατόμου, χρησιμοποιώντας στοιχεία όπως το καίσιο ή το στρόντιο.
Τα νέα πυρηνικά ρολόγια μετρούν τον χρόνο χρησιμοποιώντας λέιζερ για να προκαλούν σε υποατομικά σωματίδια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια, μεταβάσεις μεταξύ ενεργειακών επιπέδων στο εσωτερικό του πυρήνα ενός ατόμου, στην προκειμένη περίπτωση του θορίου-229.
Η ιδέα είναι ότι η παρακολούθηση αυτών των μεταβάσεων στο εσωτερικό του ατομικού πυρήνα θα μπορούσε να επιτύχει ακόμη υψηλότερα επίπεδα ακρίβειας σε σχέση με την παρακολούθηση των αντίστοιχων μεταβάσεων στα ηλεκτρόνια, επειδή ο ατομικός πυρήνας είναι πολύ μικρότερος από το ηλεκτρονιακό νέφος που τον περιβάλλει και στο οποίο βρίσκονται τα ηλεκτρόνια.
Τελειοποιώντας την τεχνολογία
Ο Σουμ ανέφερε ότι το πυρηνικό ρολόι εξακολουθεί να βρίσκεται «μακριά από τις επιδόσεις-στόχο», καθώς οι ερευνητές προσπαθούν να τελειοποιήσουν την τεχνολογία.
«Αυτό που είναι πραγματικά ενδιαφέρον εδώ είναι ότι το ρολόι της Βιέννης διαθέτει ελαφρώς καλύτερους κρυστάλλους θορίου – υψηλότερη συγκέντρωση και καλύτερες οπτικές ιδιότητες –, ενώ η ομάδα του Πεκίνου διαθέτει ισχυρότερο λέιζερ. Επομένως, ήδη με τον συνδυασμό αυτών των στοιχείων μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα σημαντικά καλύτερο ρολόι», δήλωσε ο Σουμ.
Τα καλύτερα συμβατικά ατομικά ρολόγια μπορούν να λειτουργούν για δισεκατομμύρια χρόνια χάνοντας ή κερδίζοντας μόλις ένα δευτερόλεπτο. Αυτή η εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια έχει αποδειχθεί καθοριστική για εφαρμογές όπως τα παγκόσμια δορυφορικά συστήματα πλοήγησης, καθώς και οι επικοινωνίες μέσω διαδικτύου, κινητής τηλεφωνίας και οπτικών ινών.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι τα πυρηνικά ρολόγια, όταν τελειοποιηθούν, θα μπορούσαν να εκτελούν αυτές τις λειτουργίες με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια, ενώ παράλληλα θα μπορούσαν να κατασκευαστούν ώστε να είναι λιγότερο ογκώδη και ευαίσθητα.
Τα πυρηνικά ρολόγια δημιουργούν επίσης προσδοκίες για την έρευνα της θεμελιώδους φυσικής. Η ομάδα της Βιέννης απέδειξε ότι το ρολόι της μπορούσε να πραγματοποιήσει ένα πείραμα φυσικής υψηλής ακρίβειας, καθώς επιχείρησε να εντοπίσει τη σκοτεινή ύλη, ένα κρίσιμο συστατικό του σύμπαντος που μέχρι σήμερα δεν έχει καταστεί δυνατό να παρατηρηθεί άμεσα.
Το πείραμα δεν εντόπισε τελικά σκοτεινή ύλη, όμως το πυρηνικό ρολόι απέδωσε σε επίπεδο αντίστοιχο με εκείνο των καλύτερων ατομικών ρολογιών.
«Ανοίγει την πρόσβαση σε ένα εντελώς νέο σύμπαν φυσικής», δήλωσε ο Σουμ.
(Πηγή: Reuters)
