JILA araştırmacıları, Toryum-229 kullanan bir nükleer saat geliştiriyor.

Nükleer Saat O Kadar Hassas ki Zamanın Kendisini Yeniden Tanımlayabilir.

JILA araştırmacıları, atom saatlerine kıyasla benzeri görülmemiş bir stabilite sunan toryum-229 kullanan bir nükleer saat geliştiriyorlar. Toryumu bir katı hal kristaline yerleştirerek, sıcaklık değişimlerine büyük ölçüde dirençli bir nükleer geçiş keşfettiler. Bu, hassas zaman tutma için kritik öneme sahip. Çalışmaları, yalnızca zaman ölçümünü yeniden tanımlamakla kalmayıp, aynı zamanda yeni fizik keşiflerinin kapılarını da aralayabilir.

Atom Saatlerinin Ötesine Geçmek

On yıllardır atom saatleri, GPS navigasyonu, fizik araştırmaları ve temel bilimsel testlerde kritik bir rol oynayarak hassas zaman ölçümü için standart belirlemiştir. Şimdi ise JILA’daki araştırmacılar, fizik profesörü Jun Ye liderliğinde ve Viyana Teknik Üniversitesi ile iş birliği içinde, daha da stabil bir alternatif üzerinde çalışıyor: bir nükleer saat. Atom saatlerinin elektron geçişlerine dayanmasının aksine, bu yeni saat, toryum-229 atomunun çekirdeğindeki düşük enerjili bir geçişe dayanıyor. Nükleer geçişler çevresel etkilerden daha az etkilendiği için, toryum temelli bir saat benzeri görülmemiş bir stabilite sunabilir ve Standart Model’in ötesindeki fiziği test etmek için kullanılabilir.

Ye’nin laboratuvarı yıllardır nükleer saatler üzerinde çalışıyor. Geçen yıl Nature dergisinde kapak makalesi olarak yayımlanan çığır açıcı deneyleri, özel olarak tasarlanmış bir kristalde toryum-229 nükleer geçişinin frekans temelli, kuantum durum çözünürlüklü ilk ölçümünü gerçekleştirdi. Bu, geçişin güvenilir bir zaman ölçüm referansı olarak kullanılabilecek kadar hassas bir şekilde ölçülebileceğini doğruladı.

Nükleer Geçişlerde Sıcaklık Etkilerini Anlamak

Pratik bir nükleer saat geliştirmek için bilim insanlarının, özellikle sıcaklık gibi dış faktörlerin nükleer geçişi nasıl etkilediğini anlaması gerekiyor. Physical Review Letters dergisinde “Editörün Seçimi” olarak öne çıkarılan yeni bir çalışmada, ekip kristalin farklı sıcaklıklara ısıtılması sırasında toryum çekirdeklerinin enerji seviyelerinin nasıl değiştiğini analiz etti. Bu araştırma, ultra-stabil bir nükleer saat inşa etmeye yönelik kritik bir adım niteliğinde.

“Bu, nükleer saatin sistematiğini karakterize etmeye yönelik ilk adımdır,” diyor çalışmanın baş yazarı ve JILA doktora sonrası araştırmacısı Dr. Jacob Higgins. “Sıcaklığa karşı nispeten duyarsız bir geçiş bulduk ki bu, hassas zaman ölçüm cihazları için tam olarak istediğimiz şey.”

Jun Ye, “Katı hal nükleer saati, yüksek hassasiyete sahip, sağlam ve taşınabilir bir zamanlama cihazı olma potansiyeline sahip,” diye ekliyor. “Kompakt bir nükleer saatin, sürekli çalışma için 10⁻¹⁸ kesirsel frekans stabilitesini koruyabileceği parametre alanını arıyoruz.”

Nükleer Saatlerin Hassasiyeti

Bir atomun çekirdeği, elektronlarına kıyasla çevresel etkilere daha az maruz kaldığı için, nükleer saat, atom saatlerinin başarısız olacağı koşullarda bile doğruluğunu koruyabilir. Çünkü bu saatler gürültüye karşı daha dirençlidir. Diğer tüm çekirdekler arasında toryum-229, bu açıdan özellikle uygundur çünkü alışılmadık derecede düşük enerjili bir nükleer geçişe sahiptir. Bu da onu yüksek enerjili gama ışınları yerine ultraviyole lazer ışığıyla incelemeyi mümkün kılar.

Ye laboratuvarı, toryumu hapsedilmiş iyon sisteminde ölçmek yerine farklı bir yaklaşım benimsedi: toryum-229’u bir katı hal kristaline (kalsiyum florür, CaF₂) yerleştirdi. Viyana Teknik Üniversitesi’ndeki iş birliği yaptıkları ekip tarafından geliştirilen bu yöntem, geleneksel iyon tuzaklama tekniklerine kıyasla çok daha yüksek bir toryum çekirdeği yoğunluğu sağlar. Daha fazla çekirdek, daha güçlü sinyaller ve nükleer geçişi ölçmek için daha iyi stabilite anlamına gelir.

Nükleer Saati Isıtmak

Sıcaklığın bu nükleer geçişi nasıl etkilediğini incelemek için araştırmacılar, toryum katkılı kristali üç farklı sıcaklığa soğuttu ve ısıttı: sıvı azotla 150K (-123°C), kuru buz-metanol karışımıyla 229K (-44°C) ve oda sıcaklığına yakın 293K. Bir frekans tarak lazeri kullanarak, her sıcaklıkta nükleer geçiş frekansının nasıl değiştiğini ölçtüler ve kristal içindeki iki rakip fiziksel etkiyi ortaya çıkardılar.

Birinci etki, kristal ısındıkça genişler ve atomik kafesi hafifçe değiştirir. Bu, toryum çekirdeklerinin deneyimlediği elektrik alan gradyanlarını kaydırır. Bu elektrik alan gradyanı, toryum geçişinin birden fazla spektral çizgiye bölünmesine neden olur ve bu çizgiler sıcaklık değiştikçe farklı yönlere kayar. İkinci etki ise, kafes genişlemesinin kristaldeki elektronların yük yoğunluğunu da değiştirmesi ve elektronların çekirdek ile etkileşim gücünü değiştirerek spektral çizgilerin aynı yönde hareket etmesine neden olmasıdır.

Sıcaklıkta ‘Tatlı Nokta’ Bulmak

Bu iki etki toryum atomları üzerinde kontrol için mücadele ederken, bir özel geçişin diğerlerine kıyasla sıcaklığa karşı çok daha az duyarlı olduğu gözlemlendi. Çünkü bu iki etki birbirini büyük ölçüde dengeliyordu. İncelenen tüm sıcaklık aralığı boyunca, bu geçiş yalnızca 62 kilohertz kaydı ki bu, diğer geçişlere kıyasla en az 30 kat daha küçük bir kayma anlamına geliyor.

“Bu geçiş, saat uygulamaları için gerçekten umut verici bir şekilde davranıyor,” diyor JILA yüksek lisans öğrencisi Chuankun Zhang. “Eğer bunu daha da stabilize edebilirsek, hassas zaman ölçümünde gerçek bir oyun değiştirici olabilir.”

Bir sonraki adım olarak ekip, nükleer geçişin neredeyse tamamen sıcaklıktan bağımsız kaldığı bir ‘tatlı nokta’ aramayı planlıyor. İlk veriler, 150K ile 229K arasında bir yerde, geçiş frekansının sıcaklık stabilizasyonunun daha da kolay olacağını ve gelecekteki bir nükleer saat için ideal bir çalışma koşulu sağlayacağını gösteriyor.

Nükleer Saat Sistemini Özelleştirmek

Tamamen yeni bir saat türü inşa etmek, büyük ölçüde özelleştirilmiş ekipman gerektirir. JILA’nın makine atölyesi ve mühendisleri sayesinde ekip, deneyleri için kritik bileşenler üretebildi.

Kaynak. SciTechDaily
Haber Veriyoruz