JILA araştırmacıları, atom saatlerine daha fazla kararlılık sunan toriyum-229 kullanarak nükleer saat geliştirdi.
Yıllardır atom saatleri hassas zaman ölçümünde standartları belirliyor; GPS navigasyonu, fizik araştırmaları ve temel bilimsel testlerde önemli roller üstleniyor. Ancak JILA’dan fizik profesörü Jun Ye liderliğindeki ve Viyana Teknik Üniversitesi ile iş birliği yapan araştırmacılar, daha stabil bir alternatif olan nükleer saat geliştirdi. Atom saatleri elektron geçişlerine dayanırken, bu yeni saat toriyum-229 atomunun çekirdeğinde düşük enerjili bir geçişe dayanıyor.
Nükleer saat, zaman ölçümünde atom saatlerinden farklı olarak atom çekirdeğinde gerçekleşen enerji geçişlerine dayanan hassas zaman ölçüm cihazına deniyor. Geleneksel atom saatleri, atomların elektronlarının enerji seviyeleri arasındaki geçişleri kullanırken, nükleer saatler atom çekirdeğindeki enerji geçişlerini temel alıyor. Bu fark, nükleer saatlerin çevresel etkilerden (sıcaklık, manyetik alan, elektrik alanı gibi) elektron saatlerine göre çok daha az etkilenmesini sağlıyor.
Pratik bir nükleer saat geliştirmek için, bilim insanlarının dış etkenlerin, özellikle de sıcaklığın, nükleer geçiş üzerindeki etkisini anlaması gerekiyor. Physical Review Letters dergisinde “Editörün Seçimi” olarak öne çıkan yeni çalışmada ekip, toriyum çekirdeklerinin enerji seviyelerinin kristal farklı sıcaklıklara ısıtıldığında nasıl değiştiğini analiz etti.
Sciencetech Daily’e konuşan JILA’da doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın birinci yazarı Dr. Jacob Higgins, “Bu, nükleer saatin sistematik özelliklerini karakterize etmek için ilk adım” diyor. “Sıcaklığa karşı nispeten duyarsız bir geçiş bulduk ki bu, hassas zaman ölçümü için tam olarak aradığımız şey.”
Bir atomun çekirdeği, elektronlarına göre çevresel etkilerden daha az etkilenir; bu nedenle, nükleer saatler atom saatlerinin başarısız olacağı koşullarda bile doğruluğunu koruyabilir. Toriyum-229, diğer çekirdekler arasında özellikle uygun çünkü nadir düşük enerjili bir nükleer geçişe sahip; bu da yüksek enerjili gama ışınları yerine ultraviyole lazer ışığı ile ölçülebilir.
Ye laboratuvarı, toriyumu tuzaklanmış iyon sistemi yerine katı hal içinde — kalsiyum florür (CaF₂) kristalinde — gömmeyi seçti. Viyana Teknik Üniversitesi’ndeki iş birliği sayesinde geliştirilen bu yöntem, geleneksel iyon tuzak tekniklerine kıyasla çok daha yüksek yoğunlukta toriyum çekirdeği içeriyor. Daha fazla çekirdek, daha güçlü sinyal ve daha iyi kararlılık demek.
Sıcaklığın nükleer geçiş üzerindeki etkisini incelemek için, araştırmacılar toriyumla dopinglenmiş kristali üç farklı sıcaklığa hem soğutup hem ısıttı: sıvı azot ile 150K (-123°C), kuru buz ve metanol karışımı ile 229K (-44°C) ve oda sıcaklığına yakın 293K. Frekans tarak lazeri kullanarak, nükleer geçiş frekansının her sıcaklıkta nasıl kaydığını ölçtüler ve kristalde iki karşıt fiziksel etkinin olduğunu ortaya koydular.
Birinci etki, kristal ısındıkça genişliyor, atomik örgüyü hafifçe değiştiriyor ve toriyum çekirdeklerinin deneyimlediği elektrik alan gradyanlarını kaydırıyor. Bu elektrik alan gradyanı toriyum geçişinin birden çok spektral çizgiye bölünmesine yol açıyor; bu çizgiler sıcaklık değiştikçe farklı yönlerde kayıyor. İkinci etki ise örgü genişlemesi elektronların yük yoğunluğunu değiştiriyor; böylece elektronların çekirdekle etkileşim gücü değişiyor ve spektral çizgiler aynı yönde hareket ediyor.
Nükleer saatler nasıl çalışıyor?
X-ışınları, atomların çekirdeğinde özel durumlar yaratabiliyor ve bu durumlar arasında 12.4 keV’de 45Sc için potansiyel bir nükleer saat geçişi de bulunuyor. Özellikle toriyum-229 adlı atomun çekirdeğinde, çok düşük enerjili bir geçiş var. Bu geçiş, özel ultraviyole lazerlerle gözlemlenebiliyor. Araştırmacılar, toriyum çekirdeğini bir kristal içine yerleştirip, çok hassas lazerler kullanarak bu geçişin detaylarını inceledi. Bu sayede saat yapımında kullanılacak frekansın çok net ve güvenilir olduğu gösterildi.
Toriyum nükleer geçişi, yeni nesil optik frekans standartları için mükemmel bir aday olarak öne çıkıyor. Toriyum-229’un özel bir hali (izomerik hali), kalsiyum florür (CaF2) kristali içinde yaklaşık 10 dakika (641 saniye) yaşıyor. Bu uzun ömür, bu saat türünün çok yüksek kalitede çalışabileceğini gösteriyor, yani zamanı çok çok hassas ölçebilir. Bu nükleer geçiş, dış etkenlere, özellikle elektronların hareketlerine göre çok daha az tepki veriyor. Bu da saatlerin daha doğru ve güvenilir olmasını sağlıyor.
Gelişme, temel sabitlerdeki değişimlerin izlenmesi yoluyla ultra hafif karanlık madde adaylarının araştırılmasından, sahada kullanılabilecek katı hal optik saatlere ve tuzaklanmış iyonlarda daha hassas saat operasyonlarına kadar çeşitli uygulamalara olanak tanıyor.
Bu araştırmanın birincil amacı daha stabil bir nükleer saat geliştirmek olsa da, etkileri zaman ölçümünün ötesine geçiyor. Toriyum nükleer geçişi çevresel etkilerden çok az etkilenirken, temel kuvvetlerdeki değişikliklere karşı oldukça hassas. Frekansta beklenmedik bir kayma, karanlık madde gibi yeni fiziğin işareti olabilir.
Kaynak: Scitech Daily
