Τα πυρηνικά ρολόγια αναμένεται να ξεπεράσουν την ακρίβεια των ατομικών ρολογιών που χρησιμοποιούνται σήμερα στο GPS και πληθώρα άλλων εργασιών.
Δύο ερευνητικές ομάδες στη Βιέννη και το Πεκίνο ανέπτυξαν ανεξάρτητα τα πρώτα λειτουργικά πυρηνικά ρολόγια, μια σημαντική εξέλιξη στη μέτρηση του χρόνου που αναμένεται να βρει μια ευρεία γκάμα πρακτικών εφαρμογών και να βοηθήσει στην έρευνα για τα θεμέλια της φυσικής.
Οι δύο ομάδες, οι οποίες δημοσιεύουν ταυτόχρονα τις μελέτες τους στο περιοδικό Nature (εδώ και εδώ), δήλωσαν πως τα πρωτότυπα που ανέπτυξαν δεν φτάνουν την ακρίβεια των καλύτερων σημερινών ατομικών ρολογιών, έχουν όμως το δυναμικό να τα ξεπεράσουν.
Το πυρηνικό ρολόι της Βιέννης, για παράδειγμα, εκτιμάται ότι χάνει ένα δευτερόλεπτο ανά 30 εκατομμύρια χρόνια, νούμερο που ισοδυναμεί με ακρίβεια 10-15, θεωρητικά όμως μπορεί να γίνει 10.000 φορές καλύτερο.
Θα φανταζόταν κανείς ότι τέτοια επίπεδα ακρίβειας απαιτούνται μόνο στην έρευνα ή πολύ εξειδικευμένες εφαρμογές. Κι όμως, τα ατομικά ρολόγια είναι ήδη απολύτως απαραίτητα στη δορυφορική πλοήγηση, τις τηλεπικοινωνίες, τις οικονομικές συναλλαγές, την άμυνα και άλλες εφαρμογές.
Τα ατομικά και τα πυρηνικά ρολόγια, τα οποία δεν έχουν καμία σχέση με τις πυρηνικές αντιδράσεις σχάσης ή σύντηξης, είναι ουσιαστικά παραλλαγές της ίδιας ιδέας.
Στα ατομικά ρολόγια, μια δέσμη λέιζερ ή μικροκυμάτων διεγείρει τα ηλεκτρόνια ατόμων και τα αναγκάζει να μεταπηδούν συνεχώς ανάμεσα σε δύο επίπεδα ενέργειας με εξαιρετικά σταθερή συχνότητα συχνότητα.
Στα πυρηνικά ρολόγια, η δέσμη λέιζερ προκαλεί περιοδικές μεταπτώσεις ενέργειας όχι στα ηλεκτρόνια αλλά στους πυρήνες των ατόμων –στη συγκεκριμένη περίπτωση ατόμων θορίου-229 που έχουν εγκλωβιστεί σε κρυστάλλους (στην εικόνα, το λέιζερ και ο κρύσταλλος του ρολογιού της Βιέννης).
Τα πυρηνικά ρολόγια είναι δυνητικά ακριβέστερα επειδή οι ενεργειακές μεταπτώσεις έχουν υψηλότερη συχνότητα και μετρούν επομένως πιο μικρά χρονικά διαστήματα. Αφετέρου, ο πυρήνας έχει μικρότερο μέγεθος από το σύννεφο ηλεκτρονίων που τον περιβάλλει και είναι έτσι λιγότερο ευαίσθητος σε εξωτερικές επιδράσεις, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία ή η θερμοκρασία.
«Η δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού ήταν κάτι που οι φυσικοί ονειρεύονταν εδώ και σχεδόν 50 χρόνια» δήλωσε ο Τόρστεν Σουμ του Πολυτεχνείου της Βιέννης (TU Wien), ο οποίος συμμετείχε στην ανάπτυξη του ρολογιού της Βιέννης.
«Οι δύο ομάδες εργάστηκαν ανεξάρτητα και κατάφεραν ταυτόχρονα να αναπτύξουν λειτουργικά πυρηνικά ρολόγια με βάση το θόριο-229, ακολουθώντας διαφορετικές πειραματικές προσεγγίσεις. Θεωρώ ότι αυτό είναι πολύ ενθαρρυντικό, καθώς δείχνει ότι η βασική ιδέα είναι αξιόπιστη και δεν εξαρτάται από μία συγκεκριμένη τεχνική υλοποίηση», είπε ο Σικιάν Ντινγκ του Πανεπιστημίου Τσινγκχουά της Κίνας, συνεπικεφαλής της ομάδας του Πεκίνου.
Εκτός από τις πρακτικές εφαρμογές, η νέα τεχνολογία αναμένεται να αξιοποιηθεί και στη βασική έρευνα, καθώς οι συχνότητες των πυρηνικών μεταπτώσεων εξαρτώνται από τις θεμελιώδεις φυσικές σταθερές και δυνάμεις της φύσης.
Η ανίχνευση μικρών αποκλίσεων ανάμεσα στις παρατηρούμενες τιμές και τις θεωρητικές προβλέψεις θα μπορούσαν ενδεχομένως να αποκαλύψουν άγνωστες ως σήμερα αλληλεπιδράσεις ή νέα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη, ένα υποθετικό συστατικό του Σύμπαντος που μέχρι σήμερα παραμένει άφαντο.
