ساعت هسته‌ای که یک ثانیه هم از کار نمی‌افتد

به گزارش خبرنگار گروه علم و فناوری خبرگزاری برنا؛ یک تیم بین‌المللی در مؤسسه JILA در حال پیشگامی در توسعه یک ساعت هسته‌ای است که از ساعت‌های اتمی فعلی از نظر دقت فراتر می‌رود و ممکن است پیشرفت‌هایی در زمینه GPS، همگام‌سازی اینترنت و ارتباطات امن ایجاد کند.

این تیم با استفاده از هسته‌های توریم و لیزر‌های فرابنفش، پیوندی حیاتی با سیستم‌های موجود زمان‌سنجی اتمی برقرار کرده و به درک فیزیک بنیادی و امکان ساخت ساعت‌های قابل حمل و مقاوم‌تر دست یافته است.

انقلاب در زمان‌سنجی: ظهور ساعت‌های هسته‌ای

 جهان با تیک‌تاک ساعت‌های اتمی زمان را اندازه‌گیری می‌کند، اما یک نوع جدید ساعت در حال توسعه است - ساعت هسته‌ای - که می‌تواند روش اندازه‌گیری زمان و بررسی فیزیک بنیادی را متحول کند.

تیمی از پژوهشگران بین‌المللی به رهبری دانشمندان JILA، یک مؤسسه مشترک از مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و دانشگاه کلرادو بولدر، عناصر اصلی یک ساعت هسته‌ای را به نمایش گذاشته‌اند.

ساعت هسته‌ای نوعی دستگاه جدید زمان‌سنجی است که از سیگنال‌های هسته، یا مرکز یک اتم استفاده می‌کند. این تیم از یک لیزر فرابنفش ویژه برای اندازه‌گیری دقیق فرکانس یک جهش انرژی در هسته‌های توریم که در یک بلور جامد قرار گرفته‌اند، استفاده کرده‌اند. همچنین از یک شانه فرکانس نوری، که مانند یک خط‌کش نوری بسیار دقیق عمل می‌کند، برای شمارش تعداد چرخه‌های موج فرابنفش که این جهش انرژی را ایجاد می‌کند، بهره برده‌اند. در حالی که این آزمایشگاه هنوز ساعت هسته‌ای کامل توسعه نداده است، اما همه فناوری‌های اصلی آن را در بر دارد.

 دقت بیشتر و یکپارچگی فناوری

ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند بسیار دقیق‌تر از ساعت‌های اتمی فعلی باشند که زمان رسمی بین‌المللی را تأمین می‌کنند و نقش‌های عمده‌ای در فناوری‌هایی مانند GPS، همگام‌سازی اینترنت و تراکنش‌های مالی دارند. برای عموم، این توسعه ممکن است در نهایت به سیستم‌های ناوبری حتی دقیق‌تر (با یا بدون GPS)، سرعت‌های اینترنتی بیشتر، اتصالات شبکه‌ای مطمئن‌تر و ارتباطات دیجیتال امن‌تر منجر شود.

فراتر از فناوری‌های روزمره، ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند آزمون‌های دقیق‌تری از نظریه‌های بنیادی درباره چگونگی کارکرد جهان ارائه دهند و به اکتشافات جدیدی در فیزیک منجر شوند. آنها می‌توانند به شناسایی ماده تاریک کمک کنند یا بررسی کنند که آیا ثابت‌های طبیعت واقعاً ثابت هستند یا خیر، و این امر بدون نیاز به تأسیسات بزرگ شتاب‌دهنده ذرات امکان‌پذیر است.

دقت لیزری در زمان‌سنجی

ساعت‌های اتمی زمان را با تنظیم نور لیزر بر روی فرکانس‌هایی که باعث می‌شود الکترون‌ها بین سطوح انرژی جابه‌جا شوند، اندازه‌گیری می‌کنند. ساعت‌های هسته‌ای از جهش‌های انرژی در منطقه مرکزی کوچک یک اتم، یعنی هسته، استفاده می‌کنند، جایی که ذراتی به نام پروتون و نوترون با هم فشرده می‌شوند. این جهش‌های انرژی شبیه به روشن و خاموش کردن یک کلید برق هستند. تاباندن نور لیزری با مقدار دقیق انرژی لازم برای این جهش می‌تواند این "کلید" هسته‌ای را روشن کند.

ساعت هسته‌ای مزایای زیادی برای دقت ساعت دارد. در مقایسه با الکترون‌های ساعت‌های اتمی، هسته کمتر تحت تأثیر اختلالات خارجی مانند میدان‌های الکترومغناطیسی قرار می‌گیرد. نور لیزری مورد نیاز برای ایجاد جهش‌های انرژی در هسته‌ها دارای فرکانسی بالاتر از آنچه برای ساعت‌های اتمی لازم است، می‌باشد. این فرکانس بالاتر - که به معنی تعداد بیشتر چرخه‌های موج در هر ثانیه است - مستقیماً با تعداد بیشتری "تیک" در هر ثانیه مرتبط است و در نتیجه به زمان‌سنجی دقیق‌تری منجر می‌شود. 

چالش‌ها و مراحل در توسعه

ساخت ساعت هسته‌ای بسیار دشوار است. برای ایجاد جهش‌های انرژی، بیشتر هسته‌های اتمی نیاز به برخورد با اشعه‌های X همدوس دارند (که نوعی نور با فرکانس بالا است) و انرژی‌های بسیار بیشتری از آنچه که با فناوری‌های فعلی تولید می‌شود، نیاز دارند. بنابراین، دانشمندان بر توریم-۲۲۹ تمرکز کرده‌اند، اتمی که هسته آن دارای کوچک‌ترین جهش انرژی شناخته‌شده است و نیاز به نور فرابنفش دارد (که انرژی آن کمتر از اشعه X است).

در سال ۱۹۷۶، دانشمندان این جهش انرژی در توریم را که به عنوان "انتقال هسته‌ای" در زبان فیزیک شناخته می‌شود، کشف کردند. در سال ۲۰۰۳، دانشمندان پیشنهاد استفاده از این انتقال برای ساخت ساعت را دادند و آن را تنها در سال ۲۰۱۶ مستقیماً مشاهده کردند. اوایل امسال، دو تیم تحقیقاتی مختلف از لیزر‌های فرابنفشی که در آزمایشگاه ساخته بودند، استفاده کردند تا "کلید" هسته‌ای را روشن کرده و طول موج نور مورد نیاز برای آن را اندازه‌گیری کنند.

در کار جدید، پژوهشگران JILA و همکارانشان همه اجزای اصلی یک ساعت را ایجاد کرده‌اند: انتقال هسته‌ای توریم-۲۲۹ برای تأمین "تیک"های ساعت، لیزری برای ایجاد جهش‌های دقیق انرژی بین حالت‌های کوانتومی فردی هسته، و شانه فرکانسی برای اندازه‌گیری مستقیم این "تیک"ها. این تلاش سطح دقتی را به دست آورده است که یک میلیون برابر بالاتر از اندازه‌گیری‌های مبتنی بر طول موج قبلی است. علاوه بر این، آنها این فرکانس فرابنفش را مستقیماً با فرکانس نوری که در یکی از دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی جهان، که از اتم‌های استرانسیوم استفاده می‌کند، مقایسه کرده‌اند و اولین پیوند فرکانسی مستقیم بین انتقال هسته‌ای و یک ساعت اتمی را برقرار کرده‌اند. این پیوند فرکانسی مستقیم و افزایش دقت گامی حیاتی در توسعه ساعت هسته‌ای و یکپارچه‌سازی آن با سیستم‌های زمان‌سنجی موجود است.

این تحقیق پیش از این نتایج بی‌سابقه‌ای را به ارمغان آورده است، از جمله توانایی مشاهده جزئیات در شکل هسته توریم که هیچ‌کس قبلاً آن را مشاهده نکرده بود مانند دیدن تیغه‌های فردی چمن از داخل یک هواپیما. 
این تیم نتایج خود را در شماره ۴ سپتامبر مجله Nature به عنوان مقاله‌ای روی جلد ارائه کرده است.

اگرچه این هنوز یک ساعت هسته‌ای کاملاً عملیاتی نیست، اما گامی حیاتی به سمت ایجاد چنین ساعتی است که می‌تواند هم قابل حمل و هم بسیار پایدار باشد. استفاده از توریم که در یک بلور جامد جاسازی شده است، همراه با حساسیت کمتر هسته به اختلالات خارجی، راه را برای دستگاه‌های زمان‌سنجی که به طور بالقوه جمع‌وجور و مقاوم هستند، هموار می‌کند.

فیزیکدان NIST و JILA، جون یه گفت: "تصور کنید یک ساعت مچی که حتی اگر میلیارد‌ها سال بدون وقفه کار کند، یک ثانیه هم عقب نمی‌افتد. اگرچه ما هنوز به آن سطح نرسیده‌ایم، اما این تحقیق ما را به آن سطح از دقت نزدیک‌تر می‌کند. "

 
انتهای پیام/