Hvorfor bygger forskere et kerneklokke? Fordi Atomic Ure er ikke perfekte

Opgaven med at opbygge et ur, der præcist holder tid, er helt i modsætning til urværk. Normale ure hjælper os godt med det daglige praktiske behov, men videnskabelig forskning og teknologi baseret på følsomme målinger kræver ure, der er i stand til at måle tiden med højeste præcision. Således opfandt forskere atomkvarterer - og mens de er mere præcise at holde tid end konventionelle systemer, var der stadig et betydeligt rum for forbedring. Nu forsker forskere fra atomverdenen til den nukleare. En ny undersøgelse offentliggjort i Natur viser, at tyske fysikere har udviklet en klokke, der er i stand til at tabe mindre end en tiendedel af et sekund hvert 20 milliarder år. Det er - afhængigt af hvordan du ser det - 10 gange bedre end nuværende atomteknologi

Men før vi dubler atomur ure forældede, lad os overveje, hvad der gør dem anderledes end de pendulflappende forfædre.

Hvert ur bruger en resonator til at holde styr på tiden. En resonator er en mekanisme, der af hensyn til forenkling, "flåter" med jævne mellemrum. Gamle ure brugte et pendul og gear som en resonator. Digitale ure bruger oscillationerne på kraftledningen eller af en kvartskrystal som resonatoren. Et atomur tager denne ide et par skridt fremad ved at anvende resonansfrekvenser af atomer selv som resonatoren. I dette system reguleres resonatoren af ​​den elektromagnetiske stråling, der udsendes af et atoms kvanteovergang. Med andre ord holder et atomur tid på tid ved at måle de energiske forandringer i en atompartikel.

For nogle elementer og deres isotoper sker dette ved ensartede frekvenser. Cæsium-133, for eksempel oscillerer ved nøjagtigt 9,192,631,770 cykler pr. Sekund. Derfor blev det brugt til at bygge det første atomur på National Physical Laboratory i Storbritannien i 1955.

Siden da har en række teknologiske fremskridt ført til mere præcise atomure - herunder laser afkøling og fældefangst af atomer, mere præcis laserspektroskopi og udregning af andre isotopiske elementer, der udviser endnu mere konsekvente resonansfrekvenser. Den aktuelle rekordholder til de mest præcise urværksklokker aflæsninger på ytterbiumioner.

Årsagen til at atomurerne er så kritiske har at gøre med, at ure måler tid forskelligt ved forskellige højder. Jo længere et ur er fra den største tyngdekraft, jo hurtigere tid går forbi (dvs. et ur vil køre hurtigere på Mount Everest end på havniveau). Forskellen er tilsyneladende ubetydelig, men kan tilføje som mere tid passerer.

Så meget af vores teknologi fungerer i disse dage som globale applikationer, som GPS. For at sikre at de løber på samme tid, uanset hvor nogen er, skal de knyttes direkte til et præcist ur. Der er ingen bedre måde at sikre det på end at bruge atomur som standard. I den seneste undersøgelse skitserer det tyske forskergruppe en ide om direkte måling af oscillationerne af elementets atomkern selv (i modsætning til de elektroner, der omgiver kernen). En atomur baseret på dette design kunne undgå at blive påvirket af eksterne kræfter. Forskerholdet identificerer en eksitationsstat i isotopen af ​​thorium, Th-229m, der kunne arbejde - og illustrerer eksperimentelle fund, der understøtter denne forestilling.

Der er kun et problem: Th-229m forekommer ikke naturligt. Selv om resultaterne af den nye undersøgelse ikke desto mindre er imponerende, er det uklart, hvordan forskere kan høste nok af Th-229m til at opbygge og vedligeholde et atomklok. Forskerne udledte Th-229m i dette tilfælde ved at bruge uran-233 som kilde. Det er ikke en nem proces.

Hvis forskere regner med, hvordan man løser det lille problem og genererer en bæredygtig mængde Th-229m, ser vi på en ny generation af atomur, der uden tvivl vil spille en vigtig rolle, da vi bygger mere og mere teknologi, der spænder over kloden og tjener mennesker i hvert hjørne af verden.