Viyana ve Pekin’deki araştırma ekipleri, uzun süredir tartışılan bir fikri çalışan laboratuvar sistemlerine dönüştürerek ilk işlevsel nükleer saatleri birbirinden bağımsız biçimde geliştirdi. Nature’da 7 Ekim’de yayımlanan iki çalışma, toryum-229 atom çekirdeğinin sıra dışı derecede düşük enerjili geçişini zaman referansı olarak kullanıyor. Her iki saat de çalışıyor; ancak henüz en iyi optik atom saatlerinden daha kararlı değiller.
Nükleer saat, radyoaktif enerji üretimine veya nükleer bölünmeye dayanmıyor. Atom saati gibi son derece tekrarlanabilir bir kuantum geçişinin frekansını ölçüyor. Fark şu: Geleneksel atom saatleri çekirdeğin çevresindeki elektron geçişlerini kullanırken yeni cihazlar doğrudan atom çekirdeği içindeki bir geçişi izliyor. Ekipler, kalsiyum florür kristallerine yerleştirilen toryum-229’u yaklaşık 148 nanometre dalga boyunda vakum morötesi lazerle aydınlattı ve lazer frekansını çekirdeğin tepkisine kilitledi.
Aynı hedefe iki bağımsız yol
Viyana öncülüğündeki iş birliği, lazeri toryum geçişine göre kararlı tutan geri besleme döngülü bir optik nükleer saat bildirdi. Çalışmanın ön baskısında kısa vadeli kararsızlık, ortalama alma süresinin kareköküne bölünen yaklaşık trilyonda üç düzeyinde verildi; sistem yaklaşık bir gün sonunda 10 üzeri eksi 15 aralığına yaklaşıyor. Pekin ekibi de benzer biçimde, sürenin kareköküne bölünen trilyonda iki civarında kısa vadeli kararsızlığa sahip eşzamanlanmış bir toryum-229 saati sundu.
Deneylerde farklı kristaller ve teknik düzenekler kullanılması, sonuçların uyuşmasını önemli kılıyor. Nature’ın araştırma özetine göre iki ekip de frekansın yalnızca yavaş değiştiğini gösterdi; bu, kullanılabilir bir saat için gerekli bir özellik. Pekin çalışması ayrıca farklı toryum katkılı kristalleri karşılaştırdı ve ölçülen geçiş frekanslarının uyuştuğunu buldu. Bu sonuç, katı hâl nükleer saatlerinin farklı cihazlarda yeniden üretilebilmesi fikrini destekliyor.
Umut verici ama henüz rakip değil
Başarı, sistemlerin çalıştığını kanıtlıyor; nükleer saatlerin bugünün en iyi zaman ölçerlerini geçtiğini göstermiyor. Reuters ve Nature, yeni düzeneklerin önde gelen atom saatlerinden daha düşük kararlılığa sahip olduğunu özellikle belirtiyor. Optik atom saatleri uzun yıllar süren geliştirmeler sonucunda çok yüksek hassasiyete ulaştı. Toryum tabanlı sistemler ise bu mühendislik sürecinin başında; lazer gürültüsü, kristal ortamı ve ölçüm verimi performansı sınırlamaya devam ediyor.
Çekirdekteki geçişler ilgi çekiyor çünkü çekirdek, dış elektrik ve manyetik etkilerden çevredeki elektronlara göre daha iyi korunuyor. Teoride olgun bir nükleer saat kompakt, dayanıklı ve temel fiziğin farklı yönlerine duyarlı olabilir. Araştırmacılar bu saatler için navigasyon, ağ eşzamanlama, yeryüzü ölçümü ve doğa sabitlerinin zamanla değişip değişmediğini test etme gibi kullanım alanları öneriyor.
Katı hâl yaklaşımı ayrıca çok sayıda toryum çekirdeğinin aynı kristal içinde ölçülmesine izin veriyor. Bu özellik daha güçlü bir toplam sinyal sağlayabilir ve cihazların küçültülmesine yardımcı olabilir. Buna karşılık kristal kusurları, sıcaklık etkileri ve çevresel alanlar geçişi kaydırabilir. Bu nedenle sonraki deneylerde farklı kristallerin tutarlılığı ve uzun dönemli kararlılık özellikle izlenecek.
Temel fizik için yeni bir araç
Viyana ekibi sistemini, toryum geçişinde küçük periyodik değişiklikler oluşturabilecek bazı çok hafif karanlık madde türlerini aramak için de kullandı. Deney karanlık madde tespit etmedi; ancak olası etkileşimlere yeni sınırlar koydu. Bu sonuç, nükleer saatin yalnızca zaman ölçer değil, fizik yasalarındaki son derece küçük değişimleri araştıran bir algılayıcı olarak da çalışabileceğini gösteriyor.
Sıradaki güçlük performansı sürekli artırmak. Daha dar ve kararlı lazerler, daha iyi kontrol edilen kristaller, daha güçlü sinyaller ve bağımsız saatler arasında tekrarlanan karşılaştırmalar gerekecek. Avrupa ve Çin’deki paralel gösterimler önemli bir çapraz doğrulama sağlıyor: Aynı çekirdek geçişi artık ayrı ekiplerce kapalı döngülü saat çalışmasında kullanılabiliyor. Alan spektroskopiden gerçek zaman ölçümüne geçti; yerleşik atom saatleriyle rekabet ise gelecekteki çalışmaların hedefi olarak duruyor.
