Δύο ερευνητικές ομάδες στη Βιέννη και το Πεκίνο παρουσίασαν ανεξάρτητα τα πρώτα λειτουργικά πυρηνικά ρολόγια, σε μια εξέλιξη που φέρνει νέα δεδομένα στη μέτρηση του χρόνου και αναμένεται να στηρίξει τόσο πρακτικές εφαρμογές όσο και τη βασική έρευνα στη φυσική.
Οι δύο ομάδες, που δημοσιεύουν ταυτόχρονα τις μελέτες τους στο περιοδικό Nature (εδώ και εδώ), ανέφεραν ότι τα πρωτότυπά τους δεν φτάνουν ακόμη την ακρίβεια των καλύτερων σημερινών ατομικών ρολογιών, διαθέτουν όμως τη δυνατότητα να τα ξεπεράσουν.
Το πυρηνικό ρολόι της Βιέννης, για παράδειγμα, εκτιμάται ότι χάνει ένα δευτερόλεπτο ανά 30 εκατομμύρια χρόνια, νούμερο που αντιστοιχεί σε ακρίβεια 10-15, ενώ θεωρητικά μπορεί να γίνει 10.000 φορές καλύτερο.
Θα μπορούσε κανείς να θεωρήσει ότι τέτοια ακρίβεια χρειάζεται μόνο στην έρευνα ή σε ιδιαίτερα εξειδικευμένες χρήσεις. Ωστόσο, τα ατομικά ρολόγια είναι ήδη απολύτως απαραίτητα στη δορυφορική πλοήγηση, τις τηλεπικοινωνίες, τις οικονομικές συναλλαγές, την άμυνα και σε άλλες εφαρμογές.
Τα ατομικά και τα πυρηνικά ρολόγια, που δεν έχουν καμία σχέση με τις πυρηνικές αντιδράσεις σχάσης ή σύντηξης, είναι στην ουσία παραλλαγές της ίδιας ιδέας.
Στα ατομικά ρολόγια, μια δέσμη λέιζερ ή μικροκυμάτων διεγείρει τα ηλεκτρόνια ατόμων και τα αναγκάζει να μεταπηδούν διαρκώς ανάμεσα σε δύο επίπεδα ενέργειας με εξαιρετικά σταθερή συχνότητα.
Στα πυρηνικά ρολόγια, η δέσμη λέιζερ προκαλεί περιοδικές μεταπτώσεις ενέργειας όχι στα ηλεκτρόνια αλλά στους πυρήνες των ατόμων -στη συγκεκριμένη περίπτωση ατόμων θορίου-229 που έχουν εγκλωβιστεί σε κρυστάλλους (στην εικόνα, το λέιζερ και ο κρύσταλλος του ρολογιού της Βιέννης).
Στο ρολόι της Βιέννης, ο κρύσταλλος με τα άτομα θορίου βρίσκεται στην άκρη ενός βραχίονα σε θάλαμο κενού (© Thorsten Schumm)
Τα πυρηνικά ρολόγια είναι δυνητικά ακριβέστερα, επειδή οι ενεργειακές μεταπτώσεις έχουν υψηλότερη συχνότητα και μετρούν έτσι πιο μικρά χρονικά διαστήματα. Επιπλέον, ο πυρήνας έχει μικρότερο μέγεθος από το σύννεφο ηλεκτρονίων που τον περιβάλλει και είναι, επομένως, λιγότερο ευαίσθητος σε εξωτερικές επιδράσεις όπως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία ή η θερμοκρασία.
Η δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού ήταν κάτι που οι φυσικοί ονειρεύονταν εδώ και σχεδόν 50 χρόνια, δήλωσε ο Τόρστεν Σουμ του Πολυτεχνείου της Βιέννης (TU Wien), ο οποίος συμμετείχε στην ανάπτυξη του ρολογιού της Βιέννης.
Οι δύο ομάδες εργάστηκαν ανεξάρτητα και κατάφεραν ταυτόχρονα να αναπτύξουν λειτουργικά πυρηνικά ρολόγια με βάση το θόριο-229, ακολουθώντας διαφορετικές πειραματικές προσεγγίσεις. «Θεωρώ ότι αυτό είναι πολύ ενθαρρυντικό, καθώς δείχνει ότι η βασική ιδέα είναι αξιόπιστη και δεν εξαρτάται από μία συγκεκριμένη τεχνική υλοποίηση», είπε ο Σικιάν Ντινγκ του Πανεπιστημίου Τσινγκχουά της Κίνας, συνεπικεφαλής της ομάδας του Πεκίνου.
Εκτός από τις πρακτικές εφαρμογές, η νέα τεχνολογία αναμένεται να αξιοποιηθεί και στη βασική έρευνα, καθώς οι συχνότητες των πυρηνικών μεταπτώσεων εξαρτώνται από τις θεμελιώδεις φυσικές σταθερές και δυνάμεις της φύσης.
Η ανίχνευση μικρών αποκλίσεων ανάμεσα στις παρατηρούμενες τιμές και τις θεωρητικές προβλέψεις θα μπορούσε ενδεχομένως να αποκαλύψει άγνωστες έως σήμερα αλληλεπιδράσεις ή νέα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη, ένα υποθετικό συστατικό του Σύμπαντος που μέχρι σήμερα παραμένει άφαντο.
Κεντρική εικόνα: © T. Schumm, TU Wien
