Zamanı ölçmenin yeni bir yolu, laboratuvarda önemli bir eşiği geçti. Viyana Teknik Üniversitesi’ndeki (TU Wien) bir ekip, dünyanın ilk kendi kendini sabitleyen nükleer saatini geliştirdi. Bu cihaz, elektronlar yerine atom çekirdeklerini referans alıyor ve geleneksel bir atom saatine bağlı kalmadan 24 saatten uzun süre kararlı çalışabiliyor. Gelişme, hassas ölçüm bilimi, yani metroloji için önemli bir adım olarak görülüyor.
Toryum neden kilit?
Atom çekirdekleri farklı enerji durumlarında bulunabilir, ancak bu durumlar arasında geçiş genellikle muazzam miktarda enerji gerektirir. Toryum bu kuralın nadir istisnalarından biri: Çekirdeğinin iki enerji durumu arasındaki fark alışılmadık derecede küçük olduğundan, geçiş lazer ışığıyla tetiklenebiliyor. Bu özellik, çekirdeğin enerji durumunu bir lazerle kontrol etmeyi ve bu son derece kesin geçişi zamanı ölçmek için referans olarak kullanmayı mümkün kılıyor.
Büyük atılım Nisan 2024’te geldi. TU Wien’den Prof. Thorsten Schumm liderliğindeki ekip, Braunschweig’deki PTB’den Prof. Ekkehard Peik’in grubuyla birlikte aranan nükleer geçişi deneysel olarak belirledi ve lazer ışınlarının toryum çekirdeklerini uyarabildiğini ilk kez gösterdi. 2024 sonbaharında ise düzenek geleneksel bir optik atom saatine bağlanarak çekirdeklerin hassas bir zaman referansı olarak kullanılabileceği kanıtlandı. Ancak eksik bir yetenek vardı: saatin kendi doğruluğunu bağımsız olarak koruması.
Kendini nasıl sabitliyor?
Schumm, istenen şeyin kendini sabitleyen bir nükleer saat olduğunu belirtiyor. Temel fikir basit: Elinizde bir lazer ve toryum var. Lazer toryum çekirdeklerinin enerji durumunu değiştiriyor, çekirdekler de lazerin frekansını sabitlemek için kullanılıyor. Düzeneğin merkezinde TU Wien’de üretilen, toryum atomları içeren özel bir kristal bulunuyor. Lazer ışığı bu kristale gönderiliyor ve ışığın salınımı zamanı ölçmek için düzenli bir ritim sağlıyor. Ancak sıcaklık dalgalanmaları gibi çevresel etkenler lazer frekansını kaydırabiliyor.
Toryum çekirdekleri ışığı yalnızca tam doğru frekansta soğuruyor. Lazer bu frekanstan saparsa soğurulan ışık miktarı azalıyor. Sistem bu değişimi algılıyor ve lazeri otomatik olarak doğru frekansa geri getiriyor. Bu sürekli geri besleme, geleneksel bir atom saatine ihtiyaç duymadan saatin tutarlı bir hızda çalışmasını sağlıyor.
Ne kadar hassas?
Atom çekirdekleri atomlardan 10.000 kattan fazla küçük olduğu için dış etkilerden çok daha az etkileniyor; bu da prensipte çok daha yüksek hassasiyet anlamına geliyor. Araştırmacılar prototipin performansını bir gün boyunca ölçtü ve yaklaşık 10 üzeri eksi 15 düzeyinde bağıl hassasiyet elde etti. Bu, yaklaşık 30 milyon yılda bir saniyelik hataya denk geliyor. Önemli bir not: Bu rakam ölçülen hassasiyeti ifade ediyor; saatin gerçekten milyonlarca yıl çalıştırılması söz konusu değil.
Prototip henüz dünyanın en iyi optik atom saatleri düzeyinde değil. Schumm, ilk prototip için bunun “harika bir sonuç” olduğunu söylüyor. Daha güçlü lazerler ve daha kaliteli toryum kristalleriyle hassasiyetin önemli ölçüde artırılması hedefleniyor.
Saatten fazlası
Bu gelişmenin etkisi yalnızca daha iyi bir saatle sınırlı değil. Daha hassas zaman ölçümü, diğer fiziksel büyüklüklerin ölçümünü de iyileştiriyor ve doğanın temel özelliklerini araştıran bilim insanlarına daha duyarlı araçlar sunuyor. Nükleer saatler uzun vadede mevcut atom saatlerinin yerini alıp zamanın yeni bir standardını oluşturabilir.
Kapak fotoğrafı: Credit: N. Phillips/NIST / Wikimedia Commons (Public domain)
