Viyana'daki araştırmacılar dünyanın ilk kendi kendini stabilize eden nükleer saatini inşa etti, bilim insanlarını ultra hassas zaman tutmanın yeni bir dönemine yaklaştırdı.
Viyana'daki bilim insanları, atomik saatleri bile aşabilecek bir teknolojiye sahip dünyanın ilk kendi kendini stabilize eden nükleer saatini yaratarak zaman tutmada büyük bir atılım gerçekleştirdi. Saat, atomlardaki elektronlara dayanmak yerine dış etkilere çok daha az duyarlı olan toryum atomlarının minik çekirdeklerini kullanıyor.
Bilim insanları, tamamen yeni bir saat türü inşa etme arayışında önemli bir kilometre taşına ulaştı. Viyana'daki bir ekip, günümüzün en gelişmiş atomik saatlerinden çok daha yüksek hassasiyetle zamanı ölçebilecek dünyanın ilk kendi kendini stabilize eden nükleer saatini geliştirdi.
Daha önceki prototiplerin aksine yeni nükleer saat, geleneksel bir atomik saate bağlı kalmadan kendi kararlılığını koruyabiliyor. Araştırmacılar, müdahale olmadan 24 saatten uzun süre istikrarlı çalışabildiğini gösterdi.
Bu başarı, metrolji olarak da bilinen hassas ölçümde önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor. Atom çekirdeklerini son derece kararlı referanslar olarak kullanarak nükleer saatler, mevcut teknolojilerin ulaşamadığı doğruluk seviyeleriyle zamanı ve diğer fiziksel nicelikleri ölçmeyi mümkün kılabilir.
Toryum nükleer saatlerin anahtarı neden oluyor
Atılım, bilim insanlarının on yıllardır incelediği toryum atom çekirdeklerinin alışılmadık bir özelliğine dayanıyor.
Atom çekirdekleri farklı enerji durumlarında bulunabilir, ancak bu durumlar arasında geçiş yapmak için genellikle çok büyük miktarda enerji gerekir. Toryum nadir bir istisnadır. İki nükleer enerji durumu arasında alışılmadık derecede küçük bir enerji boşluğu bulunur, bu da aralarındaki geçişi lazer ışığıyla tetiklemeyi mümkün kılar.
Bu özellik çok önemlidir, çünkü araştırmacıların bir çekirdeğin enerji durumunu lazerle kontrol etmesine olanak tanır, bu da çoğu diğer atom çekirdeği için aynı şekilde mümkün değildir. Bilim insanları daha sonra bu son derece hassas geçişi zaman ölçümü için referans olarak kullanabilir.
Nisan 2024'te büyük bir atılım gerçekleşti. TU Wien'deki Atomik ve Alt Atomik Fizik Enstitüsü'nde Prof. Thorsten Schumm liderliğindeki araştırmacılar, PTB Braunschweig'de Prof. Ekkehard Peik liderliğindeki bir ekip ile birlikte uzun süredir aranan nükleer geçişi deneysel olarak tespit etti. İlk kez lazer ışınlarının toryum çekirdeklerini uyarabildiğini gösterdiler.
2024 sonbaharında ilerleme devam etti. Araştırmacılar toryum uyarım düzeneklerini geleneksel bir optik atomik saate bağladı ve çekirdeklerin son derece hassas zaman tutma referansı olarak kullanılabileceğini gösterdi.
Bununla nükleer saatin temel ilkesi ortaya konmuş oldu, ancak hâlâ eksik olan hayati bir yetenek vardı: kendi doğruluğunu bağımsız olarak sürdürme becerisi.
Bilim insanları kendi kendini stabilize eden bir nükleer saat inşa ediyor
"Gerçekten istediğin şey kendi kendini stabilize eden bir nükleer saat," diye açıklıyor Prof. Thorsten Schumm. "Temel fikir basit: bir lazerin ve toryumun var. Lazer toryum çekirdeklerinin enerji durumunu değiştiriyor ve toryum çekirdekleri lazerin frekansını stabilize etmek için kullanılıyor."
Bunu mümkün kılmak için araştırmacılar, TU Wien'de üretilen toryum atomları içeren özel bir kristal etrafında kurulu bir sistem geliştirdi. Bir lazer kristale parlıyor ve içindeki toryum çekirdekleriyle etkileşime giriyor.
Lazer ışığı belirli bir frekansta salınıyor ve zamanı ölçmek için kullanılabilecek düzenli bir ritim sağlıyor. Ancak çevredeki ortamdaki çok küçük değişiklikler bile bu ritmi bozabilir.
"Bu lazer ışığının salınımı zaman tutmak için kullanılabilir, ancak lazer frekansı zaman zaman örneğin sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle hafifçe kayabilir," diye açıklıyor Thorsten Schumm. "Yüksek hassasiyetli ölçümler için lazer frekansını tam olarak sabit tutacak bir mekanizmaya ihtiyacın var, böylece saat tam olarak aynı ritimle tik tak yapmaya devam eder."
Geleneksel atomik saatler bu sorunu atomlardaki elektronların enerji geçişleri gibi kararlı bir referans kullanarak çözer. Viyana ekibi şimdi toryum atomlarının çekirdeklerinin aynı işlevi görebileceğini gösterdi.
Mekanizma, toryum çekirdeklerinin yalnızca ışık tam doğru frekansa sahip olduğunda lazer ışığını emmesiyle çalışır. Lazer o frekanstan sapmaya başlarsa, çekirdekler tarafından emilen ışık miktarı azalır.
Sistem bu değişikliği algılıyor ve lazeri doğru frekansa geri getirmek için otomatik olarak ayarlıyor. Bu sürekli geri bildirim, saatin geleneksel bir atomik saate ihtiyaç duymadan tutarlı bir hızda çalışmasını sağlıyor.
İlk kez bilim insanları, bağımsız olarak çalışabilen kendi kendini düzenleyen bir nükleer saati gösterdi.
Sadece 30 milyon yılda bir saniye hatalı bir saat
Nükleer saatlerin potansiyel avantajı atom çekirdeklerinin olağanüstü özelliklerinden geliyor.
"Viyana'daki yeni nükleer saatin büyük avantajı, atom çekirdeklerini atomlar yerine kullanırsan prensip olarak çok daha yüksek hassasiyet mümkün olması," diyor Thorsten Schumm.
Atom çekirdekleri atomlardan 10 bin kat daha küçüktür. Son derece küçük boyutları nedeniyle hassas ölçümleri bozabilecek dış etkilerden çok daha az etkilenirler.
Bu çevresel rahatsızlıklara karşı direnç, ultra hassas zaman tutma için nükleer enerji geçişleri umut verici kılıyor.
Prototipini değerlendirmek için araştırmacılar performansını bir gün boyunca ölçtü. Nükleer saat yaklaşık 10 üzeri eksi 15 göreli hassasiyet elde etti, bu da yaklaşık 30 milyon yılda bir saniye hataya eşdeğer.
Bu rakam saatin ölçülen hassasiyetini tanımlar, milyonlarca yıl süren gerçek bir test anlamına gelmez. Yine de araştırmacıların erken bir prototiple elde ettiği dikkate değer doğruluğu gösteriyor.
Yeni saat henüz dünyanın en iyi optik atomik saatleri kadar hassas değil ve yüksek performanslı zaman tutmanın ölçütü olmaya devam ediyor.
"Bu henüz dünyanın en iyi optik atomik saatleri seviyesinde değil, ancak ilk bir prototip için fantastik bir sonuç," diyor Thorsten Schumm.
Hatta daha hassas zaman tutmaya doğru bir sonraki adım
Araştırmacılar nükleer saatlerinin iyileştirme için önemli bir alana sahip olduğuna inanıyor. Daha güçlü lazerler kullanarak ve daha yüksek kaliteli toryum kristalleri geliştirerek hassasiyetini önemli ölçüde artırmayı umuyorlar.
Bu yükseltmeler sonunda nükleer saatlerin mevcut atomik saatleri geride bırakmasına ve zamanı ölçmek için yeni bir standart oluşturmasına olanak tanıyabilir.
Etki sadece daha iyi bir saat inşa etmekle sınırlı değil. Daha doğru zaman tutma, diğer fiziksel niceliklerin ölçümünü de iyileştirebilir ve araştırmacılara doğanın temel özelliklerini araştırmak için giderek daha duyarlı araçlar sağlayabilir.
Şimdilik Viyana ekibinin başarısı, uzun süredir takip edilen bilimsel bir kavramın kendi kendini sürdüren bir zaman tutma sistemi olarak çalışabileceğini gösteriyor. Dünyanın ilk kendi kendini stabilize eden nükleer saati şimdi bağımsız olarak çalışırken, bilim insanları zamanı benzeri görülmemiş bir hassasiyetle ölçebilecek bir geleceğe doğru önemli bir adım attı.