Dünyanın İlk Toryum Nükleer Saatinde Hassasiyet Güçle Buluşuyor
Dünyanın ilk nükleer saatinin geliştirilmesi, gelişmiş doğruluk için toryum atom çekirdeklerinin kullanılmasıyla hassas ölçümde bir dönüm noktasıdır. Bu prototip, çeşitli bilimsel alanlarda potansiyel etkileri olan zaman tutma teknolojisinde bir sıçramayı temsil eder.
Atom saatleri onlarca yıldır kullanılıyor, ancak artık daha da büyük bir hassasiyet mümkün hale geldi: Dünyanın ilk nükleer saati tanıtıldı.
Bilim insanları, toryum atom çekirdekleri kullanarak dünyanın ilk nükleer saatini yaratarak önemli bir atılım gerçekleştirdiler ve zaman ölçümünün hassasiyetini artırdılar. Bu yenilikçi teknoloji, prototip aşamasında olsa da, doğrulukta geleneksel atom saatlerini geride bırakmayı ve potansiyel olarak çeşitli disiplinlerde zaman tutma ve bilimsel ölçümlerde devrim yaratmayı vaat ediyor.
Zaman Ölçümünde Çığır Açan Gelişme: Dünyanın İlk Nükleer Saati
Uzun yıllardır, dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları bu hedef için çalışıyorlardı, şimdi aniden her şey çok hızlı gerçekleşiyor: Nisan ayında Prof. Thorsten Schumm (TU Wien, Viyana) liderliğindeki bir ekip büyük bir başarıyı duyurdu. İlk kez, bir atom çekirdeği bir lazer kullanılarak bir durumdan diğerine geçirilmişti – bu etki yüksek hassasiyetli ölçümler için kullanılabilir.
Şimdi, sadece birkaç hafta sonra, bu toryum geçişi pratikte başarıyla uygulandı: TU Wien ve JILA/NIST (ABD), yüksek hassasiyetli bir optik atom saatini yüksek enerjili bir lazer sistemiyle birleştirmeyi başardı ve bunu toryum atom çekirdekleri içeren bir kristalle başarılı bir şekilde birleştirdi. Toryum atom çekirdekleri artık bir zaman tutma cihazı olarak kullanılabilir ve bu da saati daha da hassas hale getirir – dünyanın ilk nükleer saatidir.
Hassasiyetin Geleceğini Prototiplemek
Henüz sıradan bir atom saatinden daha fazla hassasiyet sunmuyor, ancak bu ilk adımda amaç bu değildi. Thorsten Schumm, “Bu ilk prototiple şunu kanıtladık: Toryum, ultra yüksek hassasiyetli ölçümler için bir zaman tutucu olarak kullanılabilir. Geriye kalan tek şey teknik geliştirme çalışması, artık büyük engeller beklenmiyor,” diyor. İlk nükleer saat artık Nature dergisinde sunuldu .
Lazer Işınlarının Tik Takları
Her saatin bir zaman tutucuya ihtiyacı vardır – örneğin, bir sarkaçlı saatteki sarkaçın düzenli salınım hareketi. Günümüzde, yüksek hassasiyetli saatler bu amaçla elektromanyetik dalgaların salınımını kullanır; bir lazer ışınının salınımları zaman aralıklarını ölçmek için sayılır. Ancak, bir lazerin frekansı zamanla biraz değişebilir ve bu nedenle frekansının yeniden ayarlanması gerekir.
Thorsten Schumm (TU Wien) “Bu yüzden lazere ek olarak, çok özel bir lazer frekansına son derece seçici bir şekilde tepki veren bir kuantum sistemine ihtiyacınız var,” diye açıklıyor. Örneğin, bu sezyum veya stronsiyum atomları olabilir. Çok özel bir frekanstaki lazer ışığıyla vurulduklarında, bu atomların elektronları iki kuantum durumu arasında gidip gelir ve bu ölçülebilir. Lazer frekansı değişirse, artık atomların doğal frekansıyla tam olarak eşleşmez ve atomlar artık o kadar verimli bir şekilde uyarılmaz. Bu durumda, lazerin yeniden ayarlanması gerekir. Bu teknik, lazer frekansının son derece sabit tutulmasını mümkün kılar – bu, bir atom saatinin temel ilkesidir.
Atomdan Nükleere Doğrulukta Bir Sıçrama
Ancak, onlarca yıldır ilgi çekici bir fikir var: Eğer bu numara bir atomla değil , bir atom çekirdeğiyle gerçekleştirilebilseydi, daha da büyük bir hassasiyet mümkün olurdu. Atom çekirdekleri atomlardan çok daha küçüktür ve dışarıdan gelen elektromanyetik alanlar gibi bozulmalara çok daha az tepki verirler. Tek sorun, atom çekirdeklerini iki durum arasında ileri geri değiştirmenin normalde bir lazerin fotonlarından en az bin kat daha fazla enerji gerektirmesiydi.
Bilinen tek istisna toryumdur: Thorsten Schumm, “Toryum çekirdeklerinin çok benzer enerjiye sahip iki hali vardır, bu yüzden bunları lazerlerle değiştirebilirsiniz,” diyor. “Ancak bunun işe yaraması için, bu iki hal arasındaki enerji farkını çok kesin bir şekilde bilmeniz gerekir. Uzun yıllardır, dünyanın dört bir yanındaki araştırma ekipleri, toryum çekirdeklerini hedefli bir şekilde değiştirebilmek için bu enerji farkının tam değerini arıyorlardı – bunu başaran ilk biz olduk, bu, Nisan ayında yayınladığımız sonuçtur.”
Entegre Teknolojiler: Optik Dişli Kutuları ve Frekans Tarakları
JILA’daki (NIST ve Boulder Üniversitesi, ABD’nin bir araştırma enstitüsü) atom saati artık toryum atom çekirdekleriyle başarılı bir şekilde birleştirildi. Bunun için birkaç fiziksel hile gerekiyordu: “Atom saati, stronsiyum atomlarını uyarmak için kullanılan kızılötesi aralıktaki lazer ışığıyla çalışır. Ancak, toryum atom çekirdeklerinin UV aralığında radyasyona ihtiyacı vardır,” diye açıklıyor Thorsten Schumm. “Bu nedenle, uygun dişliler kullanarak yavaş bir dönüş frekansını daha hızlı bir dönüşe dönüştüren mekanik bir şanzımana benzer şekilde kızılötesi frekansları UV frekanslarına dönüştürmenin bir yoluna ihtiyacımız var.”
Bu amaçla, bir dizi farklı kızılötesi frekanstan oluşan ultra kısa kızılötesi lazer darbeleri kullanıldı. İki komşu frekans arasındaki mesafe, tıpkı bir tarağın komşu dişleri arasındaki mesafe gibi her zaman aynıdır, bu yüzden buna “frekans tarağı” da denir. Kızılötesi ışığın bu frekans tarağı bir ksenon gazına çarpar, ksenon atomları daha sonra çok hassas bir şekilde tahmin edilebilir bir şekilde UV ışığı üreterek kızılötesi ışığa tepki verir. Bu UV ışığı daha sonra toryum çekirdekleri içeren minik bir kristale gönderilir. Thorsten Schumm, “Bu kristal deneyin merkezi unsurudur” diyor. “Viyana’daki TU Wien’de üretildi ve gerekli uzmanlığı geliştirmek için birkaç yıllık geliştirme çalışması gerekti.”
Benzersiz Hassasiyetin Vaadi
Bu unsurların birleştirilmesi iyi çalıştı – sonuç dünyanın ilk nükleer saati oldu. Bu ilk prototip henüz hassasiyette bir artış sağlamadı, ancak bu asla amaçlanmamıştı. Thorsten Schumm, “Amacımız yeni bir teknoloji geliştirmekti. Bir kez orada olduğunda, kalitedeki artış doğal olarak gelir, bu her zaman böyle olmuştur,” diyor. “İlk arabalar arabalardan daha hızlı değildi. Her şey yeni bir konsept tanıtmakla ilgiliydi. Ve nükleer saatle şimdi tam olarak bunu başardık.”
Bilim ve Ölçüm İçin Sonuçlar
Bu ayrıca toryum durumlarının enerjisini, daha önce olduğundan kat kat daha yüksek bir büyüklük sırasına sahip aşırı bir hassasiyetle ölçmeyi mümkün kıldı. Thorsten Schumm, “Geçişi ilk kez uyardığımızda, frekansı birkaç gigahertz’e kadar belirleyebildik. Bu, daha önce bilinen her şeyden bin kat daha iyiydi. Ancak şimdi kilohertz aralığında bir hassasiyete sahibiz – bu da yine bir milyon kat daha iyi,” diyor. “Bu şekilde, 2-3 yıl içinde en iyi atom saatlerini geçmeyi umuyoruz.”
Bu teknoloji yalnızca önceki saatlerden önemli ölçüde daha hassas zaman ölçümleri sağlamakla kalmamalı, aynı zamanda gelecekte diğer fiziksel nicelikler de daha hassas bir şekilde ölçülebilmelidir. Jeolojiden astrofiziğe kadar birçok araştırma alanında toryum teknolojisi önemli ilerlemeler sağlayabilir. Bu aşırı hassasiyet şimdi örneğin doğanın temel yasalarını incelemek ve doğanın sabitlerinin belki de tamamen sabit olmadığını, ancak uzay ve zamanda değişip değişmediğini araştırmak için kullanılabilir.
