Hvorfor bygger forskere et kjerne ur? Fordi Atomic Klokker ikke er perfekte

Oppgaven med å bygge en klokke som nøyaktig holder tid, er helt ulikt urverk. Normale klokker bidrar til å gi oss gode resultater for dagens praktiske behov, men vitenskapelig forskning og teknologi basert på følsomme målinger krever klokker som er i stand til å måle passasjen med høyeste presisjon. Dermed oppfunnet forskere atomklokker - og mens de er mer nøyaktige på å holde tid enn konvensjonelle systemer, forblir det betydelig rom for forbedring. Nå forsker forskerne fra atomverdenen til den kjernefysiske. En ny studie publisert i Natur viser at tyske fysikere har utviklet en klokke som er i stand til å miste mindre enn en tiende sekund hvert 20 milliarder år. Det er - avhengig av hvordan du ser på det - 10 ganger bedre enn dagens atomteknologi

Men før vi dobler atomklokker utdaterte, la oss vurdere hva som gjør dem forskjellige fra pendulflappende forfedre.

Hvert klokke bruker en resonator for å holde oversikt over tiden. En resonator er en mekanisme som, for enkelhets skyld, "ticks" med jevne mellomrom. Gamle klokker brukte en pendul og gir som resonator. Digitale klokker bruker oscillasjonene på kraftledningen eller av en kvartskrystall som resonatoren. En atomur tar denne ideen noen skritt fremover ved å bruke resonansfrekvenser av atomer selv som resonatoren. I dette systemet er resonatoren regulert av den elektromagnetiske stråling som sendes ut av kvanteovergangen til et atom. Med andre ord holder en atomur oversikt over tid ved å måle de energiske endringene i en atompartikkel.

For enkelte elementer og deres isotoper skjer dette ved konsekvente frekvenser. Cesium-133, for eksempel, oscillerer på nøyaktig 9 192 631 770 sykluser per sekund. Derfor ble det brukt til å bygge den første atomur på Nasjonalt fysisk laboratorium i Storbritannia, i 1955.

Siden da har en rekke teknologiske fremskritt ført til mer nøyaktige atomklokker - inkludert laserkjøling og fange av atomer, mer presis laserspektroskopi, og å finne ut andre isotopiske elementer som viser enda mer konsistente resonansfrekvenser. Den nåværende plateholderen for de mest nøyaktige atomurklokkene leser på ytterbiumioner.

Årsaken til at atomklokker er så kritiske har å gjøre med at klokkene måler tid forskjellig på forskjellige høyder. Jo lenger en klokke er fra hovedkilden til tyngdekraften, desto raskere går det (det vil si en klokke løper raskere på Mount Everest enn på havnivå). Forskjellen er tilsynelatende ubetydelig, men kan legge opp som mer tid går.

Så mye av teknologien vår fungerer i dag som globale applikasjoner, som GPS. For å sikre at de kjører på samme tid uansett hvor noen er, må de knyttes direkte til en nøyaktig klokke. Det er ingen bedre måte å sikre det enn å bruke atomur som standard. I den siste studien skisserer det tyske forskergruppen en ide om å måle oscillasjonene til elementets atomkjerne selv (i motsetning til elektronene som omgir kjernen). En atomur basert på denne konstruksjonen kan unngå å bli påvirket av eksterne krefter. Forskningsgruppen identifiserer en eksitasjonsstat i isotopen av thorium, Th-229m, som kan fungere - og illustrerer eksperimentelle funn som støtter denne oppfatningen.

Det er bare ett problem: Th-229m forekommer ikke naturlig. Selv om resultatene av den nye studien likevel er imponerende, er det uklart nøyaktig hvordan forskere kan høste nok av Th-229m til å bygge og vedlikeholde en atomklokke. Forskerne avledet Th-229m i dette tilfellet ved å bruke uran-233 som kilde. Det er ikke en enkel prosess.

Hvis forskere finner ut hvordan du løser det lille problemet og genererer en bærekraftig mengde Th-229m, ser vi på en ny generasjon atomklokker som utvilsomt vil spille en viktig rolle som vi bygger mer og mer teknologi som spenner over kloden og serverer mennesker i alle verdenshjørner.