Začaly tikat první jaderné hodiny na světě

Po celá desetiletí se fyzici snažili dosáhnout cíle, který zní téměř nemožně: sestrojit hodiny, které měří čas pomocí jádra atomu namísto elektronů obíhajících kolem něj. Nyní vědci předvedli první funkční jaderné hodiny – pokrok, který by nakonec mohl vést ke spolehlivějším zařízením pro měření času a novým způsobům hledání temné hmoty a fyziky za hranicemi Standardního modelu. Jako časomíry použili jádro izotopu thoria.

První funkční prototyp jaderných hodin už byl skutečně demonstrován. Stalo se to v Německu, konkrétně v německém národním metrologickém institutu Physikalisch‑Technische Bundesanstalt (PTB) v Braunschweigu. Výzkumný tým vedli Ekkehard Peik a Christoph Tamm, zprávu publikovali v roce 2025. PTB je mimochodem instituce, která se dlouhodobě podílí na vývoji nejpřesnějších atomových hodin na světě, takže je logické, že právě tam vznikl první funkční prototyp jaderných hodin. Ještě nejde o komerční zařízení, ale o laboratorní prototyp, který už splňuje definici jaderných hodin: měří čas pomocí jaderného přechodu, ne elektronového.

„Pracuji v této oblasti již více než 15 let a je prostě nádherné, jak se velmi ‚bláznivý‘ nápad, jako je manipulace s atomovým jádrem pomocí laseru, proměnil ve skutečnost,“ říká Thorsten Schumm, profesor kvantové metrologie na Technické univerzitě ve Vídni.

V čem se jaderné hodiny liší od atomových hodin?

Nejpřesnějšími hodinami současnosti jsou optické atomové hodiny, které měří frekvenci skoků elektronů mezi různými energetickými hladinami uvnitř atomů. Tyto hodiny jsou tak přesné, že za 100 milionů let by se odchýlily o méně než jednu sekundu.

Jaderné hodiny fungují podobně, ale využívají přechody uvnitř samotného jádra, kdy jádro přeskakuje mezi energetickými hladinami. Jelikož se jádro nachází hluboko uvnitř atomu, je tisíckrát menší než atom, je mnohem méně ovlivňováno vnějšími rušivými vlivy, jako jsou elektrická nebo magnetická pole, není ovlivněno teplotou, vibracemi a chemickými procesy. Podle Schumma může být jaderný přechod 1 000× až 10 000× méně citlivý na okolní rušení než atomové přechody.

Princip

Každé atomové jádro má své vnitřní energetické hladiny. Když jádro přejde z jedné hladiny do druhé, vyzáří nebo pohltí kvantum energie o přesně dané frekvenci. Tato frekvence je extrémně stabilní, mnohem stabilnější než frekvence elektronových přeskoků. Pokud tuto frekvenci dokážeme přesně měřit, získáme hodiny s přesností o několik řádů vyšší, než mají dnešní atomové hodiny.

Proč bylo použito thorium-229

Izotop Th-229 je jediné jádro, o kterém je známo, že má excitovaný stav v energetickém rozsahu jen několika elektronvoltů – přesněji 8 eV. Tato jedinečná podmínka umožňuje aplikovat přesné metody laserové spektroskopie na jaderný přechod. Byly zvažovány dva fyzikální systémy, které v současné době zkoumá několik vědeckých skupin po celém světě: Laserem chlazené zachycené ionty Th³⁺ poskytnou ideální izolaci od poruch. Krystaly dopované Th umožní provádět laserovou Mössbauerovu spektroskopii na velkém souboru jader a poskytnou silný signál pro hodiny s vysokou stabilitou z relativně jednoduchého referenčního systému. Experimentální pokrok v této oblasti je zatím pomalý a brzdí ho obtíže spojené s radioaktivitou ²²⁹Th.

Vědci již desítky let věděli, že thorium má takovýto přechod, ale jeho identifikace a ovládání se ukázaly jako mimořádně náročné. Výzkumníci strávili roky testováním různých materiálů obsahujících thorium, laserových systémů a detekčních metod, než se jim konečně podařilo tento přechod přesně určit.

Laser v ultrafialové oblasti

Jedním z klíčových kroků byl vývoj laserů s kontinuálním vlněním, které pracují na přesné vlnové délce potřebné k excitaci jádra thoria. Než tyto lasery existovaly, museli výzkumníci jádro excitovat a poté několik minut čekat, až dojde k jeho rozpadu a vyzařování detekovatelného signálu. Tento proces byl příliš pomalý na to, aby bylo možné sestrojit praktické hodiny. „Díky laserům s kontinuálním vlněním můžeme získat okamžitou odezvu, zda je laser stále na správné frekvenci (a pokud ne, opravit ji),“ řekl Schumm. „Jakmile jsme to měli, šlo už ‚jen‘ o implementaci elektroniky, aby se hodiny samy stabilizovaly.“ Díky tomuto uspořádání udrželi vědci jaderné hodiny v nepřetržitém chodu po dobu 24 hodin.

Na rozdíl od mnoha optických atomových hodin, ve kterých se musejí ultrachladné atomy držet ve vakuové komoře, jsou jádra thoria zabudována do krystalu při pokojové teplotě.

Vzhledem k tomu, že přechod thoria zůstává stabilní uvnitř pevného materiálu, mohli by vědci v budoucnu sestrojit kompaktní hodiny, které budou užitečné pro navigační systémy, telekomunikační sítě a synchronizaci dat.

Nástroj pro zkoumání vesmíru

Někteří fyzici se více zajímají o to, co by jaderné hodiny mohly odhalit o fundamentální fyzice, než o jejich schopnost měřit čas.

Atomové hodiny primárně zkoumají elektromagnetické interakce zahrnující elektrony. Jaderné hodiny jsou naproti tomu citlivé na silnou jadernou sílu, slabou jadernou sílu a elektromagnetismus – tři ze čtyř základních sil vesmíru (čtvrtá je gravitace). To z nich v jistém smyslu činí užitečné detektory nové fyziky. „Jaderné hodiny jsou především jiné hodiny, tikající na základě odlišných mechanismů základní fyziky,“ řekl Schumm. „V podstatě všechny moderní teorie nad rámec standardního modelu předpovídají existenci dalších částic nebo pátých sil … které bychom mohli v určitém rozsahu parametrů zkoumat pomocí jaderných hodin.“

Thorium-229 je obzvláště zajímavé, protože energetický rozdíl mezi jeho dvěma jadernými stavy vyplývá z křehké rovnováhy mezi elektromagnetickými a jadernými silami. Jelikož se tyto významné příspěvky téměř navzájem ruší, i nepatrné změny v těchto základních silách by mohly posunout frekvenci hodin. Takže i malé posuny v těchto silách – například pokud by se jádro spojilo s určitými formami temné hmoty nebo pokud by došlo k oscilaci některé fundamentální konstanty – by se daly detekovat.

Výzkumníci již využili rané verze jaderných hodin ke zkoumání některých modelů temné hmoty. Očekávají, že se citlivost zkoumání bude zlepšovat s tím, jak se bude zdokonalovat samotná technologie. Další možnosti využití jaderných hodin jsou: Nejpřesnější měření času na světě – přesnost až 10⁻¹⁹, GPS a navigace s centimetrovou přesností, lepší synchronizace sítí pro telekomunikace a kvantový internet, hledání změn fyzikálních konstant, temné hmoty, gravitačních efektů.

Ačkoli jsou první funkční jaderné hodiny významným úspěchem, je tato časomíra stále ještě v plenkách. Vědci musí lépe porozumět tomu, jak přechod thoria reaguje na faktory, jako je teplota a magnetická pole, a zároveň vyvíjet výkonnější a stabilnější laserové systémy. „Myslím, že to bude trvat ještě mnoho let, než budou thoriové hodiny schopny konkurovat dnešním nejlepším optickým atomovým hodinám, ale na cestě k tomuto cíli se získáme mnoho nových vědeckých poznatků.“

Zdroj: World's first functioning nuclear clock could unlock new physics | Live Science

Vysvětlení k obrázku „Schema fungování jaderných hodin“

Jádro thoria-229 je ozářeno stabilizovaným laserovým světlem (laser 1). Druhý laser (laser 2) se používá k prozkoumání hyperjemné struktury atomového obalu, aby se na základě změny spinového stavu jádra určilo, zda bylo jádro úspěšně excitováno. Fotonásobič (PMT) se používá k prozkoumání, zda je laser 2 v rezonanci. Na základě signálu PMT je laser 1 aktivně stabilizován na jaderný přechod prostřednictvím zpětnovazební smyčky. Tímto způsobem bude frekvence laseru 1 přesně odpovídat frekvenci jaderné excitace. Frekvenci laseru 1 lze přesně měřit pomocí frekvenčního hřebene a proto ji lze použít jako časový a frekvenční standard.