Günümüzde kullanılan en iyi atomik saatler, özel lazer ışınlarına maruz kaldığında elektronların enerji seviyeleri arasındaki tutarlı geçişleri ölçerek zamanı takip eder. Bu saatler inanılmaz derecede hassastır, ancak aynı zamanda son derece karmaşıktır ve paraziti önlemek için özel vakum odaları ve koruyucu kalkanlar gerektirir. Bilim insanları, bu sorunları aşmak için atomun dışındaki elektronlardan daha da derine inerek, tek bir nötronun kuantum halleri arasındaki enerji değişimlerini takip etmeyi amaçlıyor. Viyana Teknoloji Üniversitesi’nden fizikçi Thorsten Schumm’a göre, böyle bir değişiklik saatlerin doğruluğunu 10 kata kadar artırabilir ve atom kendisi de saati dış etkenlerden koruyabilir. Ayrıca, bu tür atomlar koruyucu bir kristal içinde yerleştirilebilir.
Yeni bir araştırmada (Science dergisi), Schumm ve meslektaşları, toryum atomunun bir kristal içindeki dört olası konumunu haritaladı ve en hassas saati oluşturmak için neredeyse ideal olan bir konumu belirledi.
Çoğu atomda, bu enerji değişimini gerçekleştirmek için gama ışını lazeri gereklidir, ancak bilim insanları henüz böyle bir lazer üretemiyor. Ancak, toryum-229 adlı bir izotop istisnadır; araştırmacılar, bunun ultraviyole lazerle tetiklenebileceğini gösterdiler (2024).
Nevada Üniversitesi’nden fizikçi Andrei Derevianko’ya göre, “Toryum-229 doğanın tuhaf bir örneğidir. Nükleer geçiş enerjisi olağanüstü derecede düşüktür, bu da onu yüksek saflıktaki lazer ışınlarına erişilebilir kılar.” Araştırmacılar, toryum-229 atomlarını barındırabilecek ve koruyabilecek bir kristal yapısı aradılar, böylece saatin çalışması için yoğun vakum odalarına ihtiyaç duyulmaz.
Schumm, “Kristal yetiştirme, hem alkimye hem de yemek pişirmeye benzer; denersiniz, sonra başka bir şey denersiniz ve denemeye devam edersiniz.” 15 yıllık deneylerden sonra, Schumm’un grubu, şeffaf, milimetre boyutunda küplere benzeyen, küçük miktarlarda toryum-229 içeren katı kalsiyum florür kristallerinin elde edilmesi için bir yöntem geliştirdi. Ancak araştırmacılar, toryum-229’un kristalin içindeki kötü bir konumda yer alması durumunda, saatin zamanlamasını bozacak düzensiz bir elektrik alanı oluşacağını fark ettiler.
Bu çalışma kapsamında, bilim insanları, özel olarak tasarlanmış bir ultraviyole lazeri 60 saniye boyunca çalıştırdı, ardından heyecanlı çekirdeklerin daha düşük enerji seviyelerine geri dönmesi ve ışığı yayması için beş dakika bekledi. Daha sonra frekansı değiştirdiler ve tekrar aynı işlemi yaptılar. Sonuçlar, toryum atomlarının kristal yapı içinde dört farklı konumda bulunabileceğini gösterdi. Bu konulardan üçü, düzensiz bir elektrik alanına işaret eden birden fazla dalga boyunda ışık yayarken, dördüncü konum tek bir dalga boyunda ışık yaydı ve bu da onu mükemmel bir saat için ideal kıldı.
UCLA’dan fizikçi Eric Hudson, “Bu veriler hepimizin görmek istediği şeydi,” dedi. Almanya’daki Ulusal Metroloji Enstitüsü’nden Ekkehard Peik de, “Bu, katı haldeki nükleer saat araştırmaları açısından çok önemli bir sonuçtur,” diye ekledi. Bulgularına dayanarak, Schumm ve meslektaşları, yeni nesil saatlerin ilk prototiplerini geliştirdi ve bu tür bir saatin küçük bir çipe entegre edilmesine yönelik bir yöntem patent başvurusunda bulundu. Aynı zamanda, Tsinghua Üniversitesi’nden fizikçi Shiqian Ding liderliğindeki başka bir ekip de, daha güçlü bir lazer kullanarak ve daha düşük konsantrasyonda toryum-229 içeren bir kristal kullanan nükleer bir saat prototipi geliştirdi ve benzer sonuçlar elde etti. Schumm, bu alandaki gelişmelerin hız kazandığını düşünüyor.
Schumm, “En iyi atomik saatleri ne zaman geçeceğimizi kesin olarak söyleyemem,” dedi, “ancak mevcut prototiplerimizden en az üç kat daha iyi olacak bir saat geliştireceğiz.” Ancak şu anda ekibi, doğruluğu artırmaya odaklanmıyor. Öncelikleri, saati laboratuvar boyutundan kutu boyutuna ve ardından veri merkezi sunucu rafına entegre edilebilir hale getirmektir. Bu sayede, mevcut uydu tabanlı saatlerin kullanıldığı durumlarda bile bankacılık işlemleri gibi kritik sistemlerin çalışmasını sağlayabilirler.
