Pierwsze zegary jądrowe tykają w Wiedniu i Pekinie po 50 latach poszukiwań

Zegar jądrowy, który mierzy czas za pomocą jądra atomu, a nie jego elektronów, wreszcie zaczął tykać. W Wiedniu laser zablokowany na jądrach toru zamkniętych w krysztale utrzymywał własny rytm przez ponad cały dzień bez niczyjej ingerencji, a zespół w Pekinie zbudował drugi zegar tego samego rodzaju samodzielnie.

To czyni je pierwszymi działającymi zegarami jądrowymi, urządzeniem, za którym fizycy gonili przez dziesięciolecia. Jądro jest maleńkie i osłonięte własną chmurą elektronową, więc przypadkowe pola, ciepło i wibracje ledwo do niego docierają. Zegar zbudowany na nim mógłby kiedyś mierzyć czas stabilniej niż zegary atomowe, które napędzają nawigację satelitarną, internet i definicję sekundy.

Zegar wiedeński pochodzi z grupy Thorstena Schumma z TU Wien oraz grupy Ekkeharda Peika z PTB, niemieckiego krajowego instytutu metrologicznego. Zegar pekiński pochodzi z zespołu Uniwersytetu Tsinghua, którym kieruje fizyk Shiqian Ding, we współpracy z 13 innymi chińskimi instytucjami. Obie prace ukazały się w tym samym numerze „Nature” i obie wykorzystują ten sam rzadki izotop, tor-229.

Polecana lekturaWewnętrzne jądro Ziemi wydłuża i skraca nasze doby o milisekundy

„Stworzenie zegara jądrowego było czymś, o czym fizycy marzyli przez prawie 50 lat” – powiedział Schumm agencji Reuters. Jego własny zespół pracuje nad tym od 2008 roku.

Jak kryształ i laser mierzą czas

Każdy zegar potrzebuje czegoś, co oscyluje ze stałą częstotliwością. W zegarze wahadłowym jest to wahadło. W zegarze atomowym jest to światło, które elektron pochłania, przeskakując między dwoma poziomami energii, które w najlepszych nowoczesnych zegarach optycznych oscyluje znacznie szybciej niż jakakolwiek część mechaniczna.

Zegar jądrowy przenosi to zadanie do jądra. Protony i neutrony również mają poziomy energii, ale prawie wszystkie znajdują się zbyt wysoko, aby jakikolwiek laser mógł je osiągnąć. Tor-229 jest wyjątkiem: jego jądro ma stan wzbudzony na tyle niski, że można go pobudzić światłem ultrafioletowym w próżni o długości fali około 148 nanometrów. Trafienie w niego jest nadal trudne. Laser musi dopasować energię przejścia z dokładnością do jednej milionowej elektronowolta, według PTB.

Zespół Schumma wyhodował kryształy fluorku wapnia domieszkowane torem-229, kawałki wielkości milimetra, które w temperaturze pokojowej zawierają ogromne liczby jąder. „Podstawowa idea jest prosta: masz laser i masz tor” – powiedział Schumm. Jądra pochłaniają światło tylko na jednej precyzyjnej częstotliwości. Jeśli laser dryfuje, na przykład dlatego, że pomieszczenie lekko się nagrzewa, kryształ pochłania mniej, detektor rejestruje spadek, a pętla sprzężenia zwrotnego naprowadza laser z powrotem. Jądra stają się punktem odniesienia, a skorygowana częstotliwość lasera staje się tyknięciem zegara.

Dwie zmiany techniczne to umożliwiły. PTB i Instytut Maxa Borna w Berlinie zbudowały kompaktowy laser półprzewodnikowy emitujący światło w sposób ciągły; starszy system zajmował kilka metrów kwadratowych stołów optycznych i strzelał tylko impulsami. Zespoły przestały też liczyć słabą poświatę, którą jądra emitują po wzbudzeniu, której odczyt zajmował około dziesięciu minut, znacznie za wolno do naprowadzania lasera. Zamiast tego mierzą, ile mocy lasera pochłania kryształ, co jest sygnałem wystarczająco szybkim, aby zamknąć pętlę.

Wiedeń kontra Pekin

Zegar wiedeński działał przez ponad 24 godziny bez nadzoru, porównywany z konwencjonalnym optycznym zegarem atomowym. Jego niestabilność frakcyjna wynosiła około 3 × 10⁻¹² w ciągu jednej sekundy uśredniania, a ten rozrzut kurczył się do 10⁻¹⁵ w ciągu dnia. TU Wien przelicza to na błąd około jednej sekundy na 30 milionów lat, wartość zmierzoną podczas całodobowej pracy, a nie obserwowaną przez miliony lat.

Zegar pekiński jest stabilniejszy w krótkich okresach. Jego niestabilność w ciągu jednej sekundy jest około sześciokrotnie niższa niż wiedeńskiego, według danych podanych przez „Physics World”. Zespół z Pekinu zbudował własny laser ciągły o długości fali 148,4 nanometra z większą mocą i nauczył się hodować małe kryształy z zaledwie 1,4 mikrograma toru-229, ponieważ Chiny mają ograniczony dostęp do tego izotopu. Dwa niezależnie wyhodowane kryształy dały tę samą częstotliwość przejścia, która również zgadzała się z wcześniejszymi pomiarami JILA w Kolorado.

Schumm postrzega oba wyniki jako uzupełniające się. Kryształy wiedeńskie mają wyższą koncentrację toru i lepsze właściwości optyczne, powiedział agencji Reuters, podczas gdy zespół pekiński ma mocniejszy laser. „Więc już poprzez złożenie tych komponentów możemy zbudować znacznie lepszy zegar” – powiedział.

„Oba zespoły pracowały niezależnie i jednocześnie osiągnęły działające zegary jądrowe na torze-229, stosując różne podejścia eksperymentalne” – mówi Ding agencji Reuters. Według fizyka z Tsinghua pokazuje to, że „koncepcja jest solidna”.

Czego te zegary jeszcze nie robią

Żaden z zegarów nie bije zegarów atomowych, z którymi był porównywany. „To jeszcze nie jest poziom najlepszych światowych optycznych zegarów atomowych” – powiedział Schumm. Peik ujął to bardziej dosadnie w ogłoszeniu PTB: stabilność „nie ustanawia jeszcze żadnych rekordów świata”.

Największą luką jest ostrość rezonansu. „Zaobserwowaliśmy szerokość linii 30 kHz, ale naturalna szerokość linii powinna być znacznie poniżej 1 Hz” – powiedział Peik „Physics World”. Rozmyty rezonans oznacza rozmyte tyknięcie. Sam kryształ jest częścią zagadki: tor znajduje się w kilku różnych miejscach w sieci fluorku wapnia, a zespoły wciąż pracują nad tym, jak to kształtuje rezonans. Ding wskazuje, że kryształy gospodarza z fluorku wapnia ograniczają wydajność i potrzebne są lepsze materiały gospodarza.

Obie maszyny to również prototypy laboratoryjne. Zależą od zegarów odniesienia do porównań, od niestandardowych laserów ultrafioletowych i od izotopu, który jest trudny do zdobycia. Wytrzymałe urządzenie, które statek, satelita czy centrum danych mogłyby przenosić, to wciąż długa droga inżynieryjna.

Dlaczego fizycy chcą lepszego zegara

Zegary już decydują o większej części codziennego życia, niż większość ludzi zauważa. Nawigacja satelitarna oblicza pozycję na podstawie drobnych różnic w czasie sygnałów. Sieci danych są synchronizowane z czasem atomowym. Geodeci i geofizycy wykorzystują fakt, że zegary tykają z różną szybkością na różnych wysokościach w grawitacji Ziemi.

Zegar jądrowy dodaje dwie rzeczy. Po pierwsze, konstrukcja półprzewodnikowa, bez pułapek na atomy czy jony w komorze próżniowej, mogłaby w końcu uczynić precyzyjny pomiar czasu mniejszym i trwalszym. Po drugie, przejście toru zależy od sił wewnątrz jądra, więc powinno reagować znacznie silniej niż przejścia atomowe, jeśli stała natury dryfuje lub jeśli jakaś forma ciemnej materii oddziałuje na zwykłą materię. Zespół wiedeński już przeprowadził ten test ze swoim prototypem. Nie znalazł sygnału ciemnej materii, ale jego ograniczenia dotyczące sprzężenia ciemnej materii ze światłem i silnym oddziaływaniem są już porównywalne z tymi ustanowionymi przez najlepsze zegary atomowe.

Victor Flambaum z University of New South Wales, który nie brał udziału w pracach, nazwał te urządzenia „pierwszymi prototypami zegarów jądrowych”. Werdykt Schumma był szerszy: „To daje dostęp do całego nowego wszechświata fizyki”.

Najczęstsze pytania o zegar jądrowy

Czym jest zegar jądrowy?

Zegar jądrowy mierzy czas za pomocą przejścia wewnątrz jądra atomowego zamiast skoku między poziomami energii elektronów. Laser jest dostrojony do dokładnej częstotliwości, którą pochłania jądro, a ta częstotliwość staje się tyknięciem zegara. Tor-229 jest jedynym znanym jądrem z przejściem na tyle niskim energetycznie, aby można było je osiągnąć laserem.

Czy zegar jądrowy jest radioaktywny lub niebezpieczny?

Nie ma nic wspólnego z rozszczepieniem ani fuzją i nie wytwarza energii jądrowej. Tor-229 jest izotopem radioaktywnym, ale zegary używają jego mikroskopijnych ilości zamkniętych w krysztale, a laser jedynie wpycha jądro w nieco wyższy stan energetyczny.

Czy zegar jądrowy jest dokładniejszy niż zegar atomowy?

Jeszcze nie. Prototypy wiedeński i pekiński są mniej stabilne niż najlepsze optyczne zegary atomowe. Oczekuje się, że jądro, będąc znacznie mniejsze i lepiej osłonięte niż powłoka elektronowa, ostatecznie pozwoli na lepszą wydajność, gdy lasery i kryształy się poprawią.

Do czego można by wykorzystać zegary jądrowe?

Naukowcy wskazują na nawigację satelitarną, synchronizację sieci, geodezję i fizykę fundamentalną. Ponieważ przejście toru jest bardzo wrażliwe na siły wewnątrz jądra, zegary te są również narzędziami do poszukiwania ciemnej materii i zmian stałych natury.

Mocniejsze lasery, lepsze kryształy, pojedyncze jony

Jądro toru zostało po raz pierwszy wzbudzone laserem w kwietniu 2024 roku przez zespoły Schumma i Peika, dziesięciolecia po tym, jak Peik zaproponował zasadę zegara jądrowego w 2003 roku. Tej jesieni układ został podłączony do konwencjonalnego optycznego zegara atomowego. Samostabilizujący się zegar wiedeński opisano w artykule w „Nature” opublikowanym 7 października 2026 roku, wraz z pracą z Tsinghua w tym samym numerze i towarzyszącym badaniem PTB i TU Wien dotyczącym absorpcji lasera ciągłego przez jądro toru, opublikowanym w „Nature” we wrześniu.

Kolejne kroki są konkretne. Zespół Peika planuje zwiększyć moc lasera, poprawić stosunek sygnału do szumu detektora i zmapować, jak tor znajduje się w krysztale, aby znaleźć to, co rozmywa rezonans. Zespół z Pekinu poszukuje kryształów gospodarza lepszych niż fluorek wapnia i interesuje się zegarem zbudowanym na pojedynczych pułapkowanych jonach toru, które Ding określa jako „technicznie znacznie trudniejsze”, ale prawdopodobnie drogą do najwyższej dokładności.

Referencje: Toscani De Col i in., „A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang i in., „A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Tagi: fizyka, PTB, thorium-229, Tsinghua University, TU Wien, zegar atomowy

Więcej podobnych

Fizycy po raz pierwszy zobaczyli, jak atomy kryształu odwracają swój obrót

Grudka metalu z 10 000 atomów znalazła się jednocześnie w dwóch miejscach

Zderzenie gwiazd neutronowych świeciło w promieniach rentgenowskich 10 minut, nie pół sekundy

Pixel Watch 5 rusza ze strażnikiem zdrowia opartym na AI, zanim FDA go zatwierdzi

Apple Watch Series 12 i Ultra 4: co naprawdę kupujesz w przedsprzedaży

W ciągu roku Euclid odkrył więcej starożytnych kwazarów niż nauka przez całą dekadę