زومیت: دانشمندان در دستاوردی که می‌تواند نسل جدیدی از زمان‌سنج‌های فوق‌دقیق را رقم بزند و حتی ابزار تازه‌ای برای آزمون قوانین بنیادی فیزیک در اختیار پژوهشگران قرار دهد، برای نخستین بار موفق شده‌اند از هسته اتم به‌عنوان مبنای یک ساعت استفاده کنند.

دقیق‌ترین ساعت‌های فعلی جهان، ازجمله ساعت‌های سزیمی و نوری، براساس گذارهای انرژی الکترون‌ها عمل می‌کنند؛ بدین صورت که وقتی الکترون بین دو سطح انرژی مشخص جابه‌جا می‌شود، فرکانس دقیق نور لیزر روی آن قفل و نوسانات این امواج نوری به‌عنوان «تیک» ساعت ثبت می‌شود.

اما در ساعت‌های هسته‌ای، همین اصل به درون هسته اتم منتقل می‌شود؛ جایی که پروتون‌ها و نوترون‌ها ساختار انرژی متفاوتی دارند و تغییرات آن‌ها می‌تواند مرجع زمان‌سنجی به‌مراتب پایدارتر و کم‌نوسان‌تری فراهم کند. به همین دلیل، بسیاری از فیزیکدانان معتقدند ساعت‌های هسته‌ای در آینده ممکن است از دقت ساعت‌های اتمی نیز فراتر بروند.

دو گروه پژوهشی مستقل گزارش داده‌اند که نخستین نمونه‌های آزمایشی ساعت هسته‌ای را ساخته و با موفقیت به کار گرفته‌اند. هرچند این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی قرار دارد، نتایج اولیه نشان می‌دهد در برخی اندازه‌گیری‌های حساس، عملکرد آن‌ها با بهترین ساعت‌های اتمی قابل مقایسه یا حتی رقابتی است.

به گزارش ساینس‌نیوز، هر دو گروه از بلور فلورید کلسیم به‌عنوان بستر اصلی استفاده کرده‌اند؛ بلوری که با مقدار کمی از ایزوتوپ توریوم-۲۲۹ آلاییده شده است، یعنی اتم‌های توریوم به‌طور کنترل‌شده در ساختار آن قرار گرفته‌اند تا امکان تعامل دقیق با لیزر فراهم شود.

اهمیت ایزوتوپ توریوم-۲۲۹ در این است که در میان تمام هسته‌های شناخته‌شده، تنها موردی است که اختلاف انرژی بین حالت‌های هسته‌ای آن به اندازه‌ای کوچک است که می‌توان آن را مستقیماً با لیزرهای دقیق آزمایشگاهی تحریک کرد و همین ویژگی‌ بسیار نادر، آن را به بهترین گزینه برای ساخت ساعت هسته‌ای تبدیل کرده است.

در سامانه ساعت هسته‌ای، مانند ساعت‌های اتمی، لیزر نقش «نوسان‌ساز اصلی» را دارد و فرکانس آن به یک گذار انرژی مشخص قفل می‌شود. تفاوت اصلی اینجاست که به جای ترازهای انرژی الکترونی، این قفل شدن روی گذارهای انرژی درون هسته اتم انجام می‌گیرد. برای حفظ این وضعیت، یک حلقه بازخورد بسیار دقیق لازم است؛ به این معنا که دانشمندان باید به‌طور مداوم فرکانس لیزر را براساس نتایج اندازه‌گیری‌ها تنظیم کنند تا هم‌ترازی آن با گذار هسته‌ای حفظ شود. این بخش از سیستم، یعنی پیاده‌سازی کامل حلقه بازخورد پایدار، در آزمایش‌های اخیر برای نخستین بار به‌طور عملی اجرا شده است.

پژوهشگران این مرحله را نقطه عطف اصلی در تبدیل فناوری ساعت هسته‌ای از آزمایش اولیه به «ساعت واقعی» می‌دانند؛ زیرا بدون کنترل مداوم، تنها مشاهده گذارهای هسته‌ای امکان‌پذیر بود، نه تبدیل آن به یک مرجع دقیق زمان‌سنجی.

در یکی از پروژه‌ها از لیزری با توان بالاتر استفاده شده و در پروژه دیگر مقدار بیشتری از توریوم در ساختار بلور قرار گرفته بود. با وجود تفاوت در طراحی و شرایط آزمایش، عملکرد کلی هر دو سامانه مشابه گزارش شده و نتایج آن‌ها از نظر پایداری و دقت اولیه در سطح قابل مقایسه قرار گرفته است.

یکی از انگیزه‌های اصلی توسعه فناوری ساعت هسته‌ای، جست‌وجوی ماده تاریک است؛ عنصری نامرئی که بخش عمده جرم کیهان را تشکیل می‌دهد، اما تاکنون به‌طور مستقیم شناسایی نشده است. پژوهشگران با استفاده از این ساعت‌ها تلاش کردند نشانه‌هایی از ماده تاریک فوق‌سبک را بیابند، اما نتیجه‌ای مشاهده نشد. با‌این‌حال، حساسیت این ابزار در برخی سناریوها با ساعت‌های اتمی موجود قابل رقابت یا حتی فراتر از آن ارزیابی شده است.

از دید بنیادی، ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند ابزار تازه‌ای برای بررسی «ثابت‌های بنیادی فیزیک» باشند؛ یعنی مقادیری که نسبت نیروهای طبیعت، مانند نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای قوی را تعیین می‌کنند. مقایسه دقیق میان ساعت‌های اتمی و هسته‌ای می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بررسی کنند آیا این ثابت‌ها در طول زمان تغییر می‌کنند یا نه؛ پدیده‌ای فرضی که در برخی نظریه‌ها به اثرات ماده تاریک فوق‌سبک نسبت داده می‌شود.

مزیت دیگر این فناوری، مقاومت بیشتر در برابر میدان‌های الکترومغناطیسی مزاحم و امکان ساخت ساختارهای جامد و فشرده است؛ برخلاف بسیاری از ساعت‌های اتمی که به محفظه‌های خلأ پیچیده نیاز دارند. این ویژگی‌ها در آینده می‌تواند راه را برای ساخت ساعت‌های دقیق، کوچک و قابل‌حمل هموار کند.

ایده ساخت ساعت هسته‌ای نخستین‌بار در سال ۲۰۰۳ مطرح شد، اما فقط در سال‌های اخیر پیشرفت‌های لازم برای نزدیک شدن به تحقق آن حاصل شده است. پژوهشگران اکنون این مرحله را آغاز رقابتی تازه برای دستیابی به دقیق‌ترین زمان‌سنج‌های تاریخ فیزیک توصیف می‌کنند.