Δημιουργήθηκαν τα πρώτα πυρηνικά ρολόγια στον κόσμο που ανοίγουν το δρόμο για μια νέα εποχή στη μέτρηση του χρόνου

Επιστημονικές ομάδες που εργάζονται ανεξάρτητα στη Βιέννη και το Πεκίνο ανέπτυξαν τα δύο πρώτα λειτουργικά πυρηνικά ρολόγια στον κόσμο σε αυτό που χαρακτηρίζουν σημαντική εξέλιξη στην ακριβή μέτρηση του χρόνου. Η τεχνολογία αυτή υπόσχεται ένα ευρύ φάσμα πρακτικών εφαρμογών ενώ παράλληλα προσφέρει ένα νέο εργαλείο για τη μελέτη της θεμελιώδους Φυσικής.

Οι δύο συσκευές αντιπροσωπεύουν την επόμενη γενιά ατομικών ρολογιών των εξαιρετικά ακριβών συστημάτων μέτρησης του χρόνου που δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά το 1949. Οι δύο ερευνητικές ομάδες παρουσιάζοντας τα επιτεύγματά τους σε δύο επιστημονικές μελέτες ανέφεραν ότι τα πυρηνικά ρολόγια έχουν τη δυνατότητα να ξεπεράσουν σε ακρίβεια τα καλύτερα συμβατικά ατομικά ρολόγια, αν και προς το παρόν δεν το έχουν ακόμη επιτύχει.

Ονομάζονται πυρηνικά ρολόγια όχι επειδή λειτουργούν με πυρηνική σύντηξη ή σχάση, όπως θα μπορούσε να υποθέσει κάποιος χωρίς εξειδικευμένες γνώσεις, αλλά επειδή η μέτρηση του χρόνου πραγματοποιείται παρακολουθώντας τον τρόπο με τον οποίο το φως —και συγκεκριμένα μια δέσμη λέιζερ υψηλής ισχύος— αλληλεπιδρά με τον πυρήνα ενός ατόμου.

Και τα δύο πυρηνικά ρολόγια βασίζονται σε μια μορφή (ισότοπο) του στοιχείου θόριο, το θόριο-229, το οποίο είναι παγιδευμένο μέσα σε κρυστάλλους φθοριούχου ασβεστίου σε στερεά κατάσταση. «Οι δύο ομάδες εργάστηκαν ανεξάρτητα και κατάφεραν να θέσουν σε λειτουργία πυρηνικά ρολόγια θορίου-229 την ίδια χρονική περίοδο, χρησιμοποιώντας διαφορετικές πειραματικές προσεγγίσεις. Νομίζω ότι αυτό είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικό, επειδή δείχνει ότι η ιδέα είναι αξιόπιστη και δεν εξαρτάται από μία συγκεκριμένη τεχνική υλοποίηση» δήλωσε ο φυσικός Σίκιαν Ντινγκ του Πανεπιστημίου Tsinghua στην Κίνα εκ των επικεφαλής ομάδας που ανέπτυξε το ρολόι του Πεκίνου.

«Η δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού ήταν κάτι που οι φυσικοί ονειρεύονταν εδώ και σχεδόν 50 χρόνια. Στην ομάδα μου εργαζόμαστε προς αυτόν τον στόχο από το 2008» δήλωσε ο φυσικός Θόρστεν Σουμ του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Βιέννης στην Αυστρία ο οποίος συμμετείχε στην ηγεσία της ομάδας που ανέπτυξε το ρολόι της Βιέννης.

Ο Σουμ δήλωσε ότι βλέπει πιθανές εφαρμογές των πυρηνικών ρολογιών σε τομείς όπως η δορυφορική πλοήγηση, ο συγχρονισμός μεταφοράς δεδομένων, οι τοπογραφικές μετρήσεις και η μετρολογία, δηλαδή η επιστήμη της μέτρησης και των πρακτικών εφαρμογών της.

Τα συμβατικά ατομικά ρολόγια μετρούν τον χρόνο χρησιμοποιώντας λέιζερ ή μικροκύματα τα οποία προκαλούν σε υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται ηλεκτρόνια να μεταπηδούν μεταξύ δύο ενεργειακών επιπέδων στο ηλεκτρονιακό νέφος ενός ατόμου χρησιμοποιώντας στοιχεία όπως το καίσιο ή το στρόντιο.

Τα νέα πυρηνικά ρολόγια μετρούν τον χρόνο χρησιμοποιώντας λέιζερ για να προκαλούν υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται πρωτόνια και νετρόνια να μεταπηδούν μεταξύ ενεργειακών επιπέδων στο εσωτερικό του πυρήνα ενός ατόμου — στην προκειμένη περίπτωση του θορίου-229.

Η ιδέα είναι ότι η παρακολούθηση αυτών των μεταπτώσεων στο εσωτερικό του ατομικού πυρήνα ενδέχεται να επιτρέψει ακόμη υψηλότερα επίπεδα ακρίβειας σε σχέση με την παρακολούθηση αντίστοιχων μεταπτώσεων στα ηλεκτρόνια, καθώς ο ατομικός πυρήνας είναι πολύ μικρότερος από το ηλεκτρονιακό νέφος που τον περιβάλλει.

Η τελειοποίηση

ΟΣουμ δήλωσε ότι το πυρηνικό ρολόι εξακολουθεί να απέχει «πολύ από τις επιδόσεις-στόχο» καθώς οι ερευνητές προσπαθούν να τελειοποιήσουν την τεχνολογία. «Το πραγματικά ενδιαφέρον εδώ είναι ότι το ρολόι της Βιέννης διαθέτει ελαφρώς καλύτερους κρυστάλλους θορίου — υψηλότερη συγκέντρωση και καλύτερες οπτικές ιδιότητες — ενώ η ομάδα του Πεκίνου διαθέτει ισχυρότερο λέιζερ. Επομένως ήδη συνδυάζοντας αυτά τα εξαρτήματα, μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα σημαντικά καλύτερο ρολόι» δήλωσε ο Σουμ.

Τα καλύτερα συμβατικά ατομικά ρολόγια μπορούν να λειτουργούν για δισεκατομμύρια χρόνια χάνοντας ή κερδίζοντας μόλις ένα δευτερόλεπτο. Αυτή η εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια έχει αποδειχθεί κρίσιμη για εφαρμογές όπως τα παγκόσμια δορυφορικά συστήματα πλοήγησης καθώς και οι επικοινωνίες μέσω Διαδικτύου, κινητών δικτύων και οπτικών ινών.

Οι ερευνητές εκτιμούν ότι τα πυρηνικά ρολόγια, όταν τελειοποιηθούν, ενδέχεται να επιτελούν αυτές τις λειτουργίες ακόμη καλύτερα ενώ παράλληλα θα μπορούν να κατασκευάζονται σε μικρότερο μέγεθος και να είναι λιγότερο ευαίσθητα.

Τα πυρηνικά ρολόγια προσφέρουν επίσης νέες δυνατότητες για τη διερεύνηση της θεμελιώδους φυσικής. Η ομάδα της Βιέννης απέδειξε ότι το ρολόι της μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ένα πείραμα φυσικής υψηλής ακρίβειας καθώς οι ερευνητές προσπάθησαν να ανιχνεύσουν τη σκοτεινή ύλη, ένα κρίσιμο συστατικό του Σύμπαντος το οποίο μέχρι σήμερα δεν έχει καταστεί δυνατό να παρατηρηθεί άμεσα.

Το πείραμα δεν εντόπισε τελικά σκοτεινή ύλη όμως το πυρηνικό ρολόι πέτυχε επίπεδο ακρίβειας αντίστοιχο με εκείνο των καλύτερων ατομικών ρολογιών. «Αυτό ανοίγει την πρόσβαση σε ένα εντελώς νέο σύμπαν Φυσικής» δήλωσε ο Σουμ.

Naftemporiki.gr