فیلمی که آینده ساعت‌های اتمی را تغییر می‌دهد

ساعت‌های اتمی و نوآوری در اندازه‌گیری زمان و گرانش

ساعت‌های اتمی که هسته‌ی توریوم-۲۲۹ را در یک کریستال شفاف با تابش لیزر تحریک می‌کنند، می‌توانند دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها از زمان و گرانش را ارائه دهند و حتی برخی از قوانین بنیادی فیزیک را بازنویسی کنند. کریستال‌های حاوی توریوم-۲۲۹ هم نادر و هم رادیواکتیو هستند. یک فیلم نازک که از پیش‌ساز خشک توریوم-۲۲۹ ساخته شده، همان تحریک هسته‌ای را که در کریستال وجود دارد، نشان می‌دهد. اما هزینه‌ی پایین‌تر، رادیواکتیویته کمتر و اندازه‌ی کوچکتر آن، تولید این فیلم‌ها را برای ساخت ساعت‌های اتمی کوچکتر، ارزان‌تر و قابل حمل‌تر آسان‌تر می‌کند.

دستاوردهای جدید در فیزیک

این تابستان، فیزیک‌دانان UCLA موفق شدند هسته‌ی یک اتم توریوم-۲۲۹ را در یک کریستال شفاف به گونه‌ای تحریک کنند که فوتون‌ها را مانند الکترون‌ها در یک اتم جذب و ساطع کند. این موفقیت به پایان چند دهه گمانه‌زنی درباره‌ی امکان‌پذیری چنین دستاوردی منجر شد. افزایش حالت انرژی هسته‌ی یک اتم با استفاده از لیزر یا تحریک آن، امکان توسعه‌ی دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی تاریخ را فراهم می‌آورد و به اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی از زمان و گرانش کمک می‌کند. چنین ساعتی حتی می‌تواند برخی از قوانین بنیادی فیزیک را بازنویسی کند.

چالش‌ها و راه‌حل‌ها

اما یک مشکل وجود دارد: کریستال‌های حاوی توریوم-۲۲۹ هم نادر و هم رادیواکتیو هستند. در یک مقاله جدید منتشر شده در نشریه Nature، تیمی از شیمیدان‌ها و فیزیک‌دان‌های UCLA ممکن است این مشکل را با توسعه‌ی فیلم‌های نازکی از پیش‌ساز توریوم-۲۲۹ که به مقدار کمتری توریوم-۲۲۹ نیاز دارد و تقریباً به اندازه‌ی یک موز رادیواکتیو است، حل کرده باشند. با استفاده از این فیلم‌ها، آن‌ها همان تحریک هسته‌ای ناشی از لیزر را که برای یک ساعت هسته‌ای ضروری است، نشان دادند.

روش نوین تولید

تولید این فیلم می‌تواند برای استفاده نه تنها در ساعت‌های هسته‌ای، بلکه در سایر کاربردهای اپتیک کوانتومی نیز مقیاس‌پذیر باشد. به جای قرار دادن یک اتم خالص توریوم در یک کریستال مبتنی بر فلورین، روش جدید از یک ماده‌ی اولیه نیتروژن خشک توریوم-۲۲۹ استفاده می‌کند که در آب فوق خالص حل شده و به یک کوره منتقل می‌شود. افزودن هیدروژن فلورید چند میکروگرم رسوب توریوم-۲۲۹ تولید می‌کند که از آب جدا شده و تا زمانی که تبخیر شود و به طور نامنظم بر روی سطوح یاقوت شفاف و فلورید منیزیم متراکم شود، گرم می‌شود.

پیشرفت‌های جدید در ساعت‌های هسته‌ای

نور یک سیستم لیزر فرابنفش وکیوم به سمت اهداف هدایت شد، جایی که این نور حالت هسته‌ای را که در تحقیقات قبلی دانشگاه UCLA گزارش شده بود، تحریک کرد و فوتون‌های ناشی از هسته جمع‌آوری شدند. آنستاسیا الکساندرووا، نویسنده همکار و استاد شیمی و بیوشیمی و همچنین استاد علم مواد و مهندسی در UCLA، گفت: «یک مزیت کلیدی در استفاده از ماده والد — فلورید توریم — این است که تمام هسته‌های توریم در یک محیط اتمی محلی یکسان قرار دارند و همان میدان الکتریکی را در هسته‌ها تجربه می‌کنند.» او افزود: «این باعث می‌شود که تمام هسته‌های توریم انرژی‌های تحریک یکسانی را نشان دهند و در نتیجه ساعتی پایدار و دقیق‌تر ایجاد شود. به این ترتیب، این ماده منحصر به فرد است.»

عملکرد ساعت‌ها و نوسان‌سازها

در قلب هر ساعتی یک نوسان‌ساز وجود دارد. ساعت با تعریف زمان به عنوان مدت زمانی که نوسان‌ساز برای انجام تعداد مشخصی از نوسانات نیاز دارد، کار می‌کند. در یک ساعت پدری، یک ثانیه ممکن است به عنوان زمان لازم برای نوسان رفت و برگشت پاندول یک بار تعریف شود؛ در نوسان‌ساز کوارتز یک ساعت مچی، معمولاً حدود ۳۲,۰۰۰ ارتعاش در ثانیه است. در یک ساعت هسته‌ای توریم، یک ثانیه تقریباً برابر با ۲,۰۲۰,۴۰۷,۳۰۰,۰۰۰,۰۰۰ چرخه تحریک و آرامش هسته است. این نرخ تیک بالاتر می‌تواند دقت ساعت را افزایش دهد، به شرطی که نرخ تیک پایدار باشد؛ اگر نرخ تیک تغییر کند، ساعت زمان را به اشتباه اندازه‌گیری خواهد کرد.

مزایای فیلم‌های نازک

فیلم‌های نازکی که در این تحقیق توصیف شده‌اند، محیطی پایدار برای هسته فراهم می‌کنند که هم به راحتی ساخته می‌شود و هم پتانسیل استفاده برای تولید دستگاه‌های میکروفابریک را دارد. این می‌تواند به استفاده گسترده از ساعت‌های هسته‌ای کمک کند، زیرا آن‌ها را ارزان‌تر و آسان‌تر برای تولید می‌کند. ساعت‌های اتمی موجود که بر اساس الکترون‌ها کار می‌کنند، دستگاه‌هایی به اندازه اتاق هستند که دارای محفظه‌های وکیوم برای به دام انداختن اتم‌ها و تجهیزات مربوط به خنک‌سازی هستند. در مقابل، یک ساعت هسته‌ای مبتنی بر توریم بسیار کوچکتر، مقاوم‌تر، قابل حمل‌تر و دقیق‌تر خواهد بود.

کشف رازهای بزرگ جهان

فراتر از کاربردهای تجاری، طیف‌سنجی هسته‌ای جدید می‌تواند پرده از برخی از بزرگ‌ترین رازهای جهان بردارد. اندازه‌گیری حساس هسته یک اتم، راهی جدید برای یادگیری درباره خواص و تعاملات آن با انرژی و محیط فراهم می‌کند. این به نوبه خود به دانشمندان این امکان را می‌دهد که برخی از بنیادی‌ترین ایده‌های خود درباره ماده، انرژی و قوانین فضا و زمان را آزمایش کنند.