Jaderné hodiny jsou na světě! Kredit: Oliver Diekmann, TU Wien.

V současné době jsou našimi nejpřesnějšími přístroji pro měření času atomové hodiny (atomic clock). Zpožďují se asi tak o sekundy za miliardy let. Na první pohled by se mohlo zdát, že je bláhové snažit se takovou přesnost ještě vylepšovat. Moderní technologie, například satelitní technologie či online služby, jsou ale v řadě případů velmi těsně závislé na extrémní přesnosti. Proto vědci neúnavně hledají nová řešení, která by ještě zpřesnila ultrapřesné měření času.

Chuankun Zhang. Kredit: JILA.

Atomové hodiny fungují tak, že počítají vibrace určitých atomů, které jsou nesmírně pravidelné. Například atom cesia-133 vibruje přesně 9 192 631 770 krát za sekundu, čehož jsme využili k oficiální definici sekundy v soustavě SI. Světový čas je synchronizován sítí atomových hodin a přebírá ho vysokorychlostní internet, GPS, nebo třeba lety do vesmíru.

Teď ale došlo k významnému pokroku v měření času, když Chuankun Zhang z americké University of Boulder, JILA a NIST, a jeho kolegové postavili první prototyp jaderných hodin (nuclear clock). Jaderné hodiny pracují podobně jako ty atomové. Jen neměří vibrace celého atomu, ale vibrace atomového jádra. Nezní to příliš objevně, ale jak upozorňuje Michael Irving na platformě New Atlas, atomové jádro je typicky asi 100 tisíckrát menší než celý atom.

Základní schéma jaderných hodin. Kredit: N. Hanacek/NIST.

Jaderné hodiny nabízejí oproti atomovým podstatné výhody. Jádro vibruje ještě mnohem rychleji než celý atom, takže lze časový úsek rozdělit do ještě většího počtu nepatrných dílků, což znamená přesnější měření. Potěší i to, že jaderné hodiny jsou stabilnější vůči rušení elektromagnetickým zářením a dalšími vlivy.

U obou zmíněných typů hodin jsou vibrace vlastně přepínáním mezi kvantovými stavy, k němuž dojde po zásahu laserovým paprskem o určité frekvenci. Donedávna byl problém v tom, že rozvibrovat atomové jádro laserem obvykle vyžaduje dramaticky vyšší energii. Existuje ale jedna pozoruhodná výjimka. Jak jsme psali na OSLU letos v květnu (2024), týmu, který vedl Thorsten Schumm z TU Wien, se po heroickém úsilí povedlo excitovat jádro thoria-229.

Okamžitě bylo jasné, že je jenom otázkou času, kdy se objeví jaderné hodiny založené na tomto pozoruhodném izotopu. Ten čas právě nadešel a Schumm u toho samozřejmě nechyběl. Je jedním ze Zhangových kolegů v týmu, který stvořil prototyp jaderných hodin.

Zařízení pálí infralaserovým paprskem do xenonového plynu, čímž vzniká UV záření požadovaných vlastností. UV záření zasahuje jádra thoria v nepatrném krystalu a excituje protony a neutrony v těchto jádrech. Výsledné vibrace poskytují extrémně přesné měření času.

Jde o první prototyp slibné technologie. Prozatím nejsou měření času jadernými hodinami přesnější než u špičkových atomových hodin. Ale není všem dnům konec. Podle Schumma je účelem tohoto prototypu prokázat, že technologie funguje, což se podle všeho povedlo. Teď přijde fáze vylepšování a na obzoru se rýsují pozoruhodné aplikace, nejen v komunikacích a satelitních technologiích, ale i v základním výzkumu, například v pátrání po nepolapitelné temné hmotě.

Video: Physics Colloquium, "Optical nuclear clock: nuclear physics meets metrology"

Literatura

New Atlas 5. 9. 2024.

Nature 633: 63–70.