Prvý samostabilizujúci jadrový časomer: Viedeň posúva hranice merania času

Keď sa v roku 1967 zaviedla sekunda ako jednotka založená na atómových prechodoch cézia, zdalo sa, že presnejšie už meranie času byť nemôže. Dnes, takmer šesťdesiat rokov po tomto historickom rozhodnutí, prichádza ďalšia zmena paradigmy. Tím vo Viedni predstavil svetovo prvý samostabilizujúci jadrový časomer, ktorý namiesto elektrónového obalu atómu využíva samotné jadro atómu tória. Tento posun od elektrónov k jadrám môže postupne viesť k presnosti, akú dnes používané atómové hodiny nedosahujú.

Po desaťročiach výskumu sa výskumníkom podarilo vyvinúť zariadenie, ktoré sa dokáže udržať v stabilnom chode bez podpory konvenčných atómových hodín. Prototyp fungoval bez zásahu viac ako 24 hodín. Ide o dôležitý pokrok v oblasti presného merania, ktorú odborníci nazývajú metrológia. Využitím atómových jadier ako mimoriadne stabilných referencií by jadrové hodiny mohli v budúcnosti umožniť merať čas a ďalšie fyzikálne veličiny s presnosťou, na ktorú súčasné technológie nedosiahnu.

Prečo je tórium kľúčom k jadrovým hodinám

Prelom stojí na nezvyčajnej vlastnosti jadier tória, ktorú vedci skúmajú už celé desaťročia. Atómové jadrá môžu existovať v rôznych energetických stavoch, no prechod medzi nimi zvyčajne vyžaduje obrovské množstvo energie. Tórium je vzácna výnimka. Dva z jeho jadrových energetických stavov oddeľuje nezvyčajne malá energetická medzera, a preto je možné prechod medzi nimi vyvolať laserovým svetlom. Táto vlastnosť je kľúčová, pretože umožňuje výskumníkom ovládať energetický stav jadra laserom, čo pri väčšine ostatných atómových jadier nie je možné rovnakým spôsobom. Vedci potom môžu tento mimoriadne presný prechod použiť ako referenciu na meranie času.

Zásadný pokrok nastal v apríli 2024, keď tím pod vedením profesora Thorstena Schumma z Inštitútu atómovej a subatomovej fyziky na TU Wien spoločne s tímom profesora Ekkeharta Peika z PTB Braunschweig experimentálne identifikoval dlho hľadaný jadrový prechod. Prvýkrát ukázali, že laserové lúče dokážu excitovať jadrá tória. Ďalší pokrok prišiel na jeseň 2024, keď výskumníci prepojili svoje excitačné zariadenie s konvenčnými optickými atómovými hodinami a demonštrovali, že jadrá môžu slúžiť ako vysoko presná referencia na meranie času. Aj keď sa tým potvrdil základný princíp jadrových hodín, jedna podstatná schopnosť stále chýbala: udržať si presnosť nezávisle od iného zariadenia.

Ako funguje samostabilizujúci jadrový časomer

„To, čo naozaj chcete, je samostabilizujúce jadrové hodiny,“ vysvetľuje profesor Thorsten Schumm. „Základná myšlienka je jednoduchá: máte laser a máte tórium. Laser mení energetický stav jadier tória a jadrá tória sa používajú na stabilizáciu frekvencie lasera.“ Aby to bolo možné, výskumníci vyvinuli systém postavený na špeciálnom kryštáli obsahujúcom atómy tória, ktorý vyrobili na TU Wien. Laser svieti na kryštál a interaguje s jadrami tória v jeho vnútri. Svetlo lasera osciluje na určitej frekvencii a poskytuje pravidelný rytmus, ktorý možno použiť na meranie času.

Aj nepatrné zmeny v okolitom prostredí však môžu tento rytmus narušiť. „Oscilácia tohto laserového svetla sa dá použiť na meranie času, ale frekvencia lasera sa môže z času na čas mierne posunúť, napríklad v dôsledku kolísania teploty,“ hovorí Thorsten Schumm. „Pre vysoko presné merania preto potrebujete mechanizmus, ktorý udrží frekvenciu lasera presne stabilnú, aby hodiny tikali s presne rovnakým rytmom.“ Tradičné atómové hodiny tento problém riešia tak, že ako stabilnú referenciu používajú energetické prechody elektrónov v atómoch. Viedenský tím teraz ukázal, že rovnakú funkciu dokážu plniť jadrá atómov tória. Mechanizmus funguje tak, že jadrá tória pohlcujú laserové svetlo len vtedy, keď má svetlo presne správnu frekvenciu. Ak sa laser začne od tejto frekvencie odchyľovať, množstvo svetla pohlteného jadrami klesá. Systém tento rozdiel zistí a automaticky upraví laser tak, aby sa vrátil na správnu frekvenciu. Táto nepretržitá spätná väzba udržiava hodiny v stabilnom chode bez potreby konvenčných atómových hodín.

Presnosť, ktorá sa meria v miliónoch rokov

Potenciálna výhoda jadrových hodín vyplýva z výnimočných vlastností atómových jadier. „Veľkou výhodou nových jadrových hodín vo Viedni je, že ak použijete atómové jadrá namiesto atómov, je v zásade možná oveľa vyššia presnosť,“ hovorí Thorsten Schumm. Atómové jadrá sú viac ako 10 000-krát menšie než atómy. Pre svoju extrémne malú veľkosť sú oveľa menej ovplyvňované vonkajšími vplyvmi, ktoré môžu narušiť presné merania. Táto odolnosť voči okolitým poruchám robí jadrové energetické prechody obzvlášť sľubnými pre ultra presné meranie času.

Výskumníci hodnotili svoj prototyp počas jedného dňa. Jadrové hodiny dosiahli relatívnu presnosť približne 10 na mínus pätnástu, čo zodpovedá chybe približne jednej sekundy za 30 miliónov rokov. Tento údaj opisuje nameranú presnosť hodín, nie skutočný test trvajúci milióny rokov. Napriek tomu ilustruje pozoruhodnú presnosť, ktorú výskumníci dosiahli už s raným prototypom. Nové hodiny zatiaľ nedosahujú presnosť najlepších optických atómových hodín sveta, ktoré zostávajú benchmarkom pre vysokovýkonné meranie času. „Toto ešte nie je na úrovni najlepších optických atómových hodín sveta, ale pre prvý prototyp je to fantastický výsledok,“ dodáva Thorsten Schumm.

Čo jadrové hodiny znamenajú pre prax

Presnejšie meranie času nie je samoúčelné. Ovplyvňuje napríklad satelitnú navigáciu, synchronizáciu počítačových sietí, finančné transakcie alebo geodetické merania. Jadrové hodiny by v budúcnosti mohli poskytnúť stabilnejší referenčný signál pre tieto aplikácie. Zároveň platí, že ide o raný prototyp. Jeho praktické nasadenie si vyžiada roky vývoja, miniaturizáciu a overenie v reálnych podmienkach. Zvýšenie presnosti si podľa výskumníkov vyžiada výkonnejšie lasery a kvalitnejšie kryštály tória. Tieto vylepšenia by mohli postupne viesť k tomu, že jadrové hodiny predčia súčasné atómové hodiny a stanú sa novým štandardom merania času.

Obmedzenia a riziká novej technológie

Jadrové hodiny sú dnes experimentálnym zariadením. Prototyp funguje v laboratórnych podmienkach a jeho presnosť zaostáva za najlepšími optickými atómovými hodinami. Citlivosť na teplotné výkyvy a ďalšie faktory prostredia si vyžaduje zložité systémy spätnej väzby. Výroba kryštálov tória je náročná a zatiaľ nie je jasné, ako rýchlo sa podarí prejsť od laboratórneho zariadenia k praktickému využitiu. Prínos jadrových hodín pre bežný život preto treba vnímať v horizonte desiatok rokov, nie mesiacov.

Čo prinesie budúcnosť jadrového merania času

Vedci veria, že ich jadrové hodiny majú značný priestor na zlepšenie. Použitím výkonnejších laserov a vývojom kvalitnejších kryštálov tória chcú výrazne zvýšiť ich presnosť. Tieto vylepšenia by mohli postupne viesť k tomu, že jadrové hodiny predčia existujúce atómové hodiny a stanú sa novým štandardom merania času. Dôsledky presahujú rámec lepších hodín. Presnejšie meranie času môže zlepšiť aj meranie iných fyzikálnych veličín a poskytnúť výskumníkom čoraz citlivejšie nástroje na skúmanie základných vlastností prírody. Zatiaľ viedenský tím ukázal, že dlho sledovaný vedecký koncept môže fungovať ako samostatný, samoudržiavaný systém merania času. S prvými samostabilizujúcimi jadrovými hodinami, ktoré teraz bežia nezávisle, urobili vedci dôležitý krok k budúcnosti, v ktorej bude možné merať čas s dovtedy nevídanou presnosťou.

Zdroj: ScienceDaily Space and Time

Pôvodný článok: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261008102701.htm