ساعت‌های اتمی جدید: انقلابی در اندازه‌گیری زمان و کشف اسرار فیزیک

دنیای ساعت‌های اتمی: گام‌های فراتر در اندازه‌گیری زمان و گرانش

تکنولوژی ساعت‌های اتمی، که با الهام از عنصر توریوم-۲۲۹ و تحریک آن در یک بلور شفاف با استفاده از پرتو لیزر کار می‌کند، به اندازه‌گیری‌های بی‌نهایت دقیق زمان و گرانش کمک شایانی می‌کند و حتی می‌تواند در بازنویسی برخی از قوانین اساسی فیزیک نقش داشته باشد. بلورهای حاوی توریوم-۲۲۹ هم کمیاب هستند و هم رادیواکتیو. اما خبر خوب این است که یک لایه نازک که از پیش‌ساز خشک توریوم-۲۲۹ ساخته می‌شود، همان تحریک هسته‌ای موجود در کریستال را نشان می‌دهد. این فیلم‌های نازک به‌دلیل هزینه‌ی کمتر، رادیواکتیویته‌ی پایین‌تر و ابعاد کوچک‌تر، ساخت ساعت‌های اتمی کوچک‌تر، ارزان‌تر و قابل حمل‌تر را بسیار آسان‌تر می‌کنند.

تحولات نوظهور در فیزیک

تیم فیزیک‌دانان دانشگاه UCLA، تابستان امسال موفق به تحریک هسته یک اتم توریوم-۲۲۹ در یک کریستال شفاف شدند تا فوتون‌ها را درست مثل الکترون‌ها در یک اتم، جذب و ساطع کند. این موفقیت، به سال‌ها حدس و گمان در مورد امکان‌پذیری این دستاورد خاتمه داد. افزایش سطح انرژی هسته یک اتم با استفاده از لیزر یا تحریک آن، امکان توسعه‌ی دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی تا به امروز را فراهم می‌کند و به اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق از زمان و گرانش یاری می‌رساند. چنین ساعتی حتی می‌تواند مسیر را برای بازنگری در برخی از قوانین اساسی فیزیک هموار کند.

چالش‌ها و راه‌حل‌ها

اما یک نکته وجود دارد: بلورهای حاوی توریوم-۲۲۹ هم نادر و هم رادیواکتیو هستند. اما تیمی متشکل از شیمیدان‌ها و فیزیک‌دانان UCLA، در مقاله‌ای که اخیراً در مجله‌ی Nature منتشر شد، به نظر می‌رسد که با ابداع فیلم‌های نازک از یک پیش‌ساز توریوم-۲۲۹، این مشکل را حل کرده‌اند. این فیلم‌ها به مقدار کمتری توریوم-۲۲۹ نیاز دارند و تقریباً به اندازه‌ی یک عدد موز رادیواکتیو هستند. آن‌ها با استفاده از این فیلم‌ها، همان تحریک هسته‌ای ناشی از لیزر را که برای یک ساعت هسته‌ای حیاتی است، نشان دادند.

یک روش نوین تولید

تولید این فیلم‌ها، نه‌تنها برای ساعت‌های هسته‌ای، بلکه در زمینه‌های دیگر اپتیک کوانتومی هم کاربرد دارد. به‌جای استفاده از اتم خالص توریوم در یک کریستال مبتنی بر فلوئور، این روش جدید از یک ماده‌ی اولیه نیتروژن خشک توریوم-۲۲۹ استفاده می‌کند که در آب کاملاً خالص حل شده و به یک کوره منتقل می‌شود. اضافه کردن هیدروژن فلوئورید، مقادیر کمی از توریوم-۲۲۹ رسوب می‌دهد. سپس این رسوب از آب جدا شده و تا زمانی که تبخیر شود و به‌طور یکنواخت روی سطوح یاقوت شفاف یا فلورید منیزیم قرار بگیرد، حرارت داده می‌شود.

گام‌های نوین در ساخت ساعت‌های هسته‌ای

نور یک سیستم لیزر فرابنفش با خلاء زیاد به سمت اهداف هدایت شد، جایی که این نور حالت هسته‌ای را که در تحقیقات قبلی دانشگاه UCLA گزارش شده بود، تحریک می‌کرد و نورهای حاصل از هسته جمع‌آوری می‌شدند. آناستازیا الکساندرووا، یکی از نویسندگان این پژوهش و استاد شیمی و بیوشیمی، همچنین استاد علم مواد و مهندسی در دانشگاه UCLA، می‌گوید: «یک مزیت اساسی استفاده از ماده اولیه – فلورید توریوم – این است که همه‌ی هسته‌های توریوم در یک محیط اتمی یکسان قرار دارند و میدان الکتریکی یکسانی را در هسته‌ها تجربه می‌کنند.» او اضافه می‌کند: «این باعث می‌شود که همه‌ی هسته‌های توریوم انرژی تحریک یکسانی را نشان دهند و در نتیجه، ساعتی پایدارتر و دقیق‌تر داشته باشیم. به‌همین دلیل، این ماده واقعاً منحصربه‌فرد است.»

عملکرد ساعت‌ها و نوسان‌سازها

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

مزایای فیلم‌های نازک

فیلم‌های نازکی که در این تحقیق توصیف شده‌اند، محیطی پایدار برای هسته فراهم می‌کنند که هم ساخت آن آسان است و هم قابلیت تولید دستگاه‌های میکروفابریک را دارد. این موضوع می‌تواند توسعه‌ی گسترده‌ی ساعت‌های هسته‌ای را به‌دنبال داشته باشد، زیرا تولید آن‌ها ارزان‌تر و ساده‌تر خواهد شد. ساعت‌های اتمی موجود که بر اساس الکترون‌ها کار می‌کنند، دستگاه‌هایی به‌اندازه یک اتاق هستند که محفظه‌های خلاء برای به دام انداختن اتم‌ها و تجهیزات خنک‌کننده دارند. اما یک ساعت هسته‌ای که بر اساس توریوم کار می‌کند، بسیار کوچک‌تر، مقاوم‌تر، قابل حمل‌تر و دقیق‌تر خواهد بود.

فاش کردن رازهای بزرگ جهان

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