Genombrott i kärnklockteknologi banar väg för oöverträffad precision i tidsmätning.

StockholmForskare vid JILA, ett forskningsinstitut kopplat till NIST och University of Colorado Boulder, har gjort framsteg inom området kärnklockor och förbättrat tidsangivelsens noggrannhet. Till skillnad från atomklockor som använder förändringar i elektronernas energinivåer, mäter kärnklockor förändringar i en atoms kärnenerginivåer, vilka inkluderar protoner och neutroner.

Forskarna demonstrerade viktiga delar av denna kärnklocka med hjälp av thorium-229. De lyckades med detta genom att:

• Använda en speciellt utformad ultraviolett laser för att mäta frekvensen av ett energiöverhopp i toriumkärnor inbäddade i en fast kristall.
• Använda en optisk frekvenskam för att räkna antalet ultravioletta vågcykler kopplade till detta energiöverhopp.
• Skapa en direkt frekvenskoppling mellan toriumkärnövergången och en atomklocka med hjälp av strontium.

Denna nya teknik lovar att ge mycket exakt tidmätning. Nuvarande atomur, som är viktiga för GPS, internettidssynkronisering och finansiella transaktioner, kan bli mindre exakta jämfört med kärnklocks. Denna förbättring kan leda till bättre navigationssystem, snabbare internet och säkrare digital kommunikation.

Kärnklockor är mer motståndskraftiga mot yttre störningar än atomklockor. I atomklockor påverkas elektroner av elektromagnetiska fält, medan kärnövergångar är mindre känsliga för dessa fält. Dessutom mäter kärnklockor tid mer exakt tack vare att de arbetar vid en högre frekvens på grund av snabbare energiförändringar.

Läs också:

Idag · 02:19

Fruktdiet stärker fladdermössens virala försvar

Att skapa koherenta röntgenstrålar för kärnövergångar är svårt. Men thorium-229 är unikt eftersom dess övergång kan utlösas med ultraviolett ljus, vilket är lättare att generera i ett laboratorium. Nyliga experiment har framgångsrikt observerat och använt denna övergång, vilket för oss närmare utvecklingen av kärnklockor.

Forskningen avslöjade nya detaljer om formen på toriumkärnan och visade den höga noggrannhet som kan uppnås med denna nya teknik. Tidigare osedda egenskaper hos toriumkärnan ger insikter som kan påverka fundamentala fysikexperiment. Till exempel kan nukleära klockor hjälpa till att upptäcka mörk materia eller bekräfta stabiliteten hos naturens grundläggande konstanter, uppgifter som normalt hanteras av stora partikelacceleratorer.

En ny typ av bärbar och tillförlitlig kärnklocka håller på att utvecklas. Forskare undersöker användningen av torium inbäddat i en fast kristall för att skapa dessa enheter. Denna metod är lovande eftersom toriums kärna påverkas mindre av förändringar i miljön. Fysikern Jun Ye från NIST och JILA sade att även om en armbandsklocka som förblir exakt i miljarder år ännu inte är möjlig, har forskningen gjort betydande framsteg i den riktningen.

Förbättrad klocknoggrannhet kan resultera i betydande framsteg inom områden som transport, kommunikation och teoretisk fysik. Detta kan bana väg för viktiga framsteg inom dessa fält, alla påverkade av förbättrat tidtagning.