Unang Gumaganang Thorium Nuclear Clock, Ginawang Tagabilang ng Oras ang mga Nukleo ng Atom

Gumagana nang mahigit isang araw ang isang nuclear clock

Mahigit 24 na oras nang napanatili ng isang prototype sa Vienna ang pag-synchronize ng laser nito sa mga nukleo ng thorium nang walang interbensiyon, habang ipinakita naman ng hiwalay na pangkat sa Beijing ang katulad na orasan gamit ang mas malakas na ultraviolet laser at 1.4 microgram lamang ng thorium 229 para mapalago ang isa sa mga kristal nito. Inilathala sa Nature noong Oktubre 7, 2026 ang dalawang resulta. Inililipat ng mga ito ang mga nuclear clock mula sa pagsukat sa isang nangangakong atomikong nukleo tungo sa mga aparatong kayang kumontrol sa sarili nitong pagtiktak.

Naabot ng kolaborasyong Europeo, sa pangunguna nina Thorsten Schumm ng TU Wien at Ekkehard Peik ng pambansang institusyon ng metrology ng Germany na PTB, ang kawalang-estabilidad ng dalas na papalapit sa isang bahagi sa isang quadrilyon matapos ang isang araw na pag-a-average. Iniulat naman ng kolaborasyong Tsino, sa pangunguna ni Shiqian Ding ng Tsinghua University, ang mas mababang coefficient ng kawalang-estabilidad, na nagpapahiwatig ng humigit-kumulang anim na beses na mas mahusay na estabilidad sa ilalim ng iniulat na ugnayan sa pag-a-average.

Hindi pa nahihigitan ng alinman sa mga prototype ang pinakamahusay na optical atomic clock. Sa halip, ang tagumpay ay ang paggamit na ngayon ng isang nuclear transition para magbigay ng feedback na kailangan upang makontrol ang gumaganang orasan. Nagamit na ng pangkat sa Vienna ang kakayahang ito para maghanap ng ultramagaan na dark matter. Wala silang nakitang signal, ngunit nakapagtakda sila ng mga limitasyon sa ilang iminungkahing interaksiyon.

Sa anunsiyo nito tungkol sa nuclear clock, inilalarawan ng TU Wien ang sistemang awtomatikong nagwawasto sa dalas ng laser kapag nagbabago ang tugon ng mga nukleo ng thorium. Ipinaliwanag ni Schumm, isang propesor sa Institute of Atomic and Subatomic Physics ng unibersidad, ang pangunahing layunin:

Ang talagang gusto mo ay isang nuclear clock na nagpapatatag sa sarili nito.

Ang pagkakaibang ito ang naghihiwalay sa mga demonstrasyong ito sa mga naunang eksperimento na nagpasigla sa mga nukleo ng thorium o sumukat sa dalas ng kanilang transition habang umaasa sa panlabas na orasan para patatagin ang liwanag.

Ano ang naiiba sa thorium 229?

Gumagamit ang optical atomic clock ng transition sa pagitan ng mga antas ng enerhiya ng elektron bilang sanggunian sa dalas. Inililipat naman ng nuclear clock ang sangguniang ito sa nukleo, kung saan maaaring umokupa ang mga proton at neutron sa magkakaibang quantum state. Sa parehong kaso, ang regular na pag-oscillate ng liwanag ang nagbibigay ng pagtiktak, habang pinananatili ng napiling transition ang tamang dalas ng laser.

Higit na mas malaking enerhiya ang kailangan para sa karamihan ng nuclear transition kaysa sa kayang ibigay ng mga karaniwang laser. Ang thorium 229 lamang ang kilalang nukleo na may transition na direktang naaabot gamit ang kasalukuyang teknolohiya ng laser. Nasa humigit-kumulang 8.4 electron volt sa itaas ng ground state ang pambihirang mababang excited state nito, na tinatawag na isomer. Katumbas ng enerhiyang ito ang ultraviolet light na malapit sa 148 nanometer.

Saklaw ang liwanag na ito ng vacuum ultraviolet, na mahirap likhain at gamitin. Isa sa mga pangunahing hamon sa inhinyeriya para sa dalawang pangkat ang paggawa ng sapat na matatag at makitid na hanay ng mga dalas ng laser sa wavelength na iyon.

Hindi nangangahulugang pinatatakbo ng nuclear reactor, fission o fusion ang orasan dahil tinatawag itong nuclear. Radioaktibo ang thorium 229, ngunit hindi ang pagkabulok nito ang mekanismo ng pagtiktak. Gumagamit ang orasan ng laser light para siyasatin ang isang transition sa loob ng nukleo nito.

Mahigit sampung libong beses na mas maliit ang mga nukleo kaysa sa mga atom at bahagyang napoprotektahan ang mga ito ng nakapaligid na mga elektron. Karaniwan, hindi gaanong malakas ang tugon ng mga ito sa mga panlabas na elektriko at magnetikong perturbasyon, kaya nag-aalok ang mga ito ng landas tungo sa mas matatag na sanggunian ng dalas. Ipinakikita rin ng kasalukuyang mga eksperimento na hindi inaalis ng pagkakabaon sa kristal ang lahat ng epekto ng kapaligiran.

Paano itinatama ng kristal ang laser

Ibinabaon ng dalawang pangkat ang thorium 229 sa mga kristal ng calcium fluoride at iniilawan ang mga ito ng tuloy-tuloy na laser light na malapit sa 148.4 nanometer. Kapag tumugma ang liwanag sa piniling nuclear transition, sinisipsip ito ng mga nukleo. Sinusukat ng detector ang liwanag na nakalampas, kaya natutukoy ng mga mananaliksik kung lumihis ang laser mula sa resonance.

Pagkatapos, binabago ng elektronikong feedback loop ang dalas ng laser para ibalik ito sa tamang dalas. Hindi na lamang sinusukat ang nukleo bilang isang bagay. Ginagabayan ng tugon nito ang oscillator na nagbibigay ng signal ng orasan.

Inilalarawan sa papel tungkol sa orasan sa Vienna ng pangkat Europeo, sa pangunguna ni Luca Toscani de Col, ang mabilis na feedback batay sa absorption spectroscopy sa kristal na ilang milimetro lamang ang lapad at gumagana sa temperatura ng silid. Nagbibigay ng estabilidad sa maiikling pagitan ang hiwalay na optical cavity, habang itinatama ng nuclear transition ang mas pangmatagalang paglihis.

Mahalaga ang pagsipsip dahil maaaring matagal ang paghihintay na maglabas ng liwanag ang mga pinasiglang nukleo. Iniulat sa papel ng Vienna na humigit-kumulang isang libong beses na mas maraming signal photon bawat segundo ang naibibigay ng pagsipsip kaysa sa fluorescence detection. Dahil dito, naitatama ang dalas sa mga panahong mas maikli kaysa sa lifetime ng excited state at nagiging mas mabilis ang paghahanap ng mga pagbabago sa transition.

Dalawang laboratoryo, magkaibang pagpili sa inhinyeriya

Kabilang sa kolaborasyong Europeo ang mga mananaliksik mula sa Germany, Austria at Czechia. Kabilang naman sa pagsisikap sa Beijing ang Tsinghua University, Beijing Academy of Quantum Information Sciences at mga katuwang mula sa iba’t ibang bahagi ng China. Nangunguna si Beichen Huang sa listahan ng mga awtor ng pag-aaral ng pangkat Tsino.

Gumamit ang Vienna ng kristal na may mas mataas na konsentrasyon ng thorium, habang tinumbasan ng Beijing ang limitadong suplay ng isotope sa pamamagitan ng mas malakas na laser. Magkaiba man ang mga pamamaraan, iisa ang tinutugunan ng mga ito: makakuha ng sapat na kapaki-pakinabang na signal ng pagsipsip para matukoy kung gaano kalayo ang laser sa nuclear resonance.

Inilalarawan sa papel ng Tsinghua tungkol sa orasan ang isang pinagmumulan na lumilikha ng 10 microwatt na ultraviolet light sa prosesong pinagsasama ang mga laser field sa singaw ng cadmium. Humigit-kumulang 5 microwatt ang nakarating sa harapang ibabaw ng kristal. Gumamit naman ang aparatong Europeo ng ibang paraang nonlinear conversion na kinasasangkutan ng kristal na strontium tetraborate.

Pinatubo ang pinahusay na kristal ng calcium fluoride sa Beijing mula sa solusyong naglalaman lamang ng 1.4 microgram ng thorium 229, na may aktibidad na 10 kilobecquerel. Sinusukat ng aktibidad na iyon ang mga pagbulusok ng radyaktibidad, hindi ang mga pagtiktak ng orasan. Inilalarawan sa papel na halos wala nang puwang para sa paulit-ulit na pagsubok upang mapahusay ang pagpapalaki ng kristal dahil kakaunti ang isotope.

Ayon kay Shiqian Ding, isang pisiko sa Tsinghua University, pinalalakas ng magkakahiwalay na demonstrasyon ang kumpiyansa na gumagana ang konsepto ng orasan sa iba’t ibang disenyong teknikal:

Nagtrabaho nang magkahiwalay ang [mga pangkat] at nakagawa ng gumaganang thorium-229 nuclear clock nang magkasabay, gamit ang magkaibang pamamaraang eksperimental. Sa tingin ko, lubhang nakapagpapasigla ito dahil ipinakikita nitong matatag ang konsepto at hindi nakadepende sa iisang partikular na teknikal na implementasyon.

Balak ng dalawang pangkat na pagbutihin ang mga sistema nila at pagsamahin ang mga aral mula sa dalawang pamamaraan. Kapag mas marami ang mga nukleo at mas maraming ultraviolet light ang magagamit, maaaring lumakas ang signal kung pagsasamahin ang mga kalamangan ng bawat pamamaraan.

Gaano katumpak ang mga prototype?

Iniulat sa papel ng Vienna ang fractional frequency instability na 3 × 10^-12 na hinati sa square root ng averaging time sa segundo. Iniulat naman sa papel ng China ang 5 × 10^-13 gamit ang parehong pormula ng pag-iiskala. Ang paghahati sa mga coefficient na ito ay nagbubunga ng anim, na siyang batayan ng paghahambing sa dalawang orasan.

Inilalarawan ng kawalang-estabilidad ng dalas kung gaano kalaki ang pagbabago-bago ng takbo ng orasan habang nagsusukat. Maaaring mabawasan ng pag-a-average ang mga random na pagbabago. Iba ang tanong na sinasagot ng katumpakan: gaano kalapit ang nasukat na dalas sa tamang halaga matapos isaalang-alang ang mga pagkiling. Sinusukat naman ng reproducibility kung nagbibigay ng parehong resulta ang isa pang takbo ng pagsukat o ibang kristal.

Ayon kay Dolores del Campo Maldonado, direktor ng Mechanical Magnitudes and Engineering Division sa Spanish Metrology Center, magkakaibang kalakasan ang mas mahusay na estabilidad ng orasan ng China sa maiikling pagitan at ang paghahambing ng eksperimento sa Austria sa isang ytterbium clock. Wala sa mga natuklasang ito ang nagpapatunay na nakahihigit ito sa pinakamahusay na atomic clock sa lahat ng pamantayan.

Magkakaiba ang mga ulat sa pagsasalin ng mga sukat sa naipong pagkakamali sa oras. Tinataya ng TU Wien na humigit-kumulang isang segundo sa loob ng 30 milyong taon ang error ng prototype sa Vienna, batay sa katumpakang malapit sa 10^-15. Tinataya naman ng isa pang ulat na humigit-kumulang isang segundo sa loob ng 3 milyong taon para sa orasan sa Europa at 19 milyong taon para sa aparatong Tsino. Inilagay ng mas naunang paglalarawan sa resulta ng China ang kawalang-estabilidad nito malapit sa isang bahagi sa 10 trilyon matapos ang isang araw, samantalang iniulat sa pinal na papel ang pag-a-average hanggang sa antas na 10^-15 sa nasukat na pagitan.

Hindi dapat ituring ang mga bilang na ito bilang magkakatumbas na garantiya ng ganap na katumpakan. Pinakaligtas na paghambingin ang mga inilathalang sukat ng kawalang-estabilidad at ang mga kundisyon ng pag-a-average ng mga ito. Nauungusan pa rin ng mga optical atomic clock ang kasalukuyang mga prototype, at may iniulat na katumbas na pagganap na isang segundo sa loob ng sampu-sampung bilyong taon, kabilang ang halimbawa ng isang ytterbium clock na 23 bilyong taon.

May epekto pa rin ang kristal sa resulta

Nalaman sa pag-aaral sa Vienna na hanggang humigit-kumulang 5 × 10^-13 lamang ang reproducibility ng mga dalas na sinukat sa magkakaibang araw, mas mahina kaysa sa kawalang-estabilidad na naabot sa tuloy-tuloy na takbo. Bago ang bawat takbo, kinailangang muling ihanay ang laser kaya dumaan ito sa bahagyang magkakaibang bahagi ng kristal.

Nagsiwalat ang mga sukat sa magkakaibang posisyon ng mga pagbabago sa center frequency ng transition na hanggang 1.7 kilohertz. Hinala ng mga mananaliksik na dulot ito ng lokal na tensiyon mula sa hindi pantay na istruktura ng kristal. Nagbigay ng reproducible na resulta ang paulit-ulit na pagsukat sa parehong posisyon, na sumusuporta sa pangangailangang kontrolin ang dinaanan ng laser sa materyal.

Sinubukan ng pangkat sa Beijing ang dalawang kristal na ginawa nang magkahiwalay. Nagkakaiba nang humigit-kumulang 560 hertz ang mga nasukat nilang dalas ng transition, na katumbas ng fractional difference na 2.8 × 10^-13, na may uncertainty na 0.6 × 10^-13. Tugma rin ang dalawa, sa loob ng pinagsamang uncertainty, sa mga naunang sukat sa iba pang kristal ng calcium fluoride sa JILA sa Estados Unidos.

Kinontrol ng aparatong Tsino ang mga pagbabago sa temperatura at gumamit ito ng magnetic shielding. Nagpapadaan ang pinahusay nitong kristal ng 7% ng ultraviolet light, kumpara sa humigit-kumulang 1% para sa naunang kristal. Malaki ang ibinawas sa ingay ng pagsukat ng mga pagpapahusay na ito, kasama ng mga pagbabago sa detector at mas malakas na signal ng pagsipsip.

Itinuturing ni Akio Kawasaki ng National Metrology Institute ng Japan na pangunahing pinagmumulan ng kawalang-katiyakan sa orasan ang mga panlabas na electric field. Nag-aalok ng proteksiyon laban sa mga ganitong perturbasyon ang mga nuclear transition, ngunit ipinakikita ng mga resulta ng prototype kung bakit kailangan pa rin ang kalidad ng materyal, pagkontrol sa temperatura at maingat na pagtatasa sa mga pagbabago ng dalas.

Paghahanap sa dark matter na walang natuklasan

Inihambing ng pangkat sa Vienna ang nuclear clock nito sa isang ytterbium ion clock sa Federal Office of Metrology and Surveying ng Austria, gamit ang pinatatag na koneksiyong optical fiber. Hinanap ng eksperimento ang mga pana-panahong pagbabago at mababagal na paglihis sa ratio ng kanilang mga dalas sa loob ng humigit-kumulang 23 oras, at siniyasat ang mga timescale mula 20 segundo hanggang halos isang araw.

May mga teoryang nagsasabing maaaring magdulot ang ultramagaan na dark matter ng maliliit na pag-oscillate sa mga pangunahing constant. Magkakaiba ang magiging tugon ng mga nuclear at electronic transition, kaya kapaki-pakinabang na pagsubok ang paghahambing sa dalawang orasan. Walang lumitaw na pana-panahong signal na makabuluhan ayon sa estadistika, at tugma sa sero ang nasukat na mabagal na paglihis.

Dahil walang nakitang signal, nagawa ng pangkat na magtakda ng mga limitasyon sa posibleng interaksiyon sa mga photon, sa malakas na puwersang nuklear at sa mga masa ng quark. Kahanay ng mga limitasyon mula sa nangungunang maihahambing na atomic clock ang mga limitasyon para sa photon. Para sa ilang interaksiyon ng malakas na puwersa at quark, iniulat sa papel ang sensitivity na umaabot nang 10 hanggang 1,000 beses na mas malalim sa sinuring mga saklaw ng parameter kaysa sa mga naunang eksperimento sa atomic clock.

Nagmumula ang kalamangan ng thorium sa di-pangkaraniwang balanse ng enerhiya nito. Halos nagkakansela ang mas malalaking ambag ng elektromagnetismo at ng nukleo, kaya naiiwan ang maliit na transition na 8.4 electron volt. Dahil dito, maaaring magdulot ng medyo malaking pagbabago sa dalas ng orasan ang bahagyang pagbabago sa mga ambag na ito.

Tinataya ni José R. Crespo López-Urrutia, mananaliksik sa Max Planck Institute for Nuclear Physics sa Heidelberg, na halos 10,000 beses na mas sensitibo ito sa ilang ipinapalagay na epekto ng dark matter kaysa sa pinakamahusay na optical atomic clock. Tumutukoy ito sa potensiyal na tugon sa mga piling epekto, hindi sa pangkalahatang pagpapahusay sa pagsukat ng oras o pagtuklas sa dark matter. Inihayag niyang dati siyang nakipagtulungan sa ilan sa mga pangkat ng mga awtor, ngunit wala siyang direktang kinalaman sa mga pag-aaral na ito.

Nagbabala rin ang papel ng Vienna na hindi pa makukuwenta ang eksaktong mga factor ng sensitivity dahil hindi pa alam ang ilang parameter ng nukleo. Nililimitahan ng mga natuklasan nito ang mga partikular na modelo at interaksiyon, hindi ang lahat ng posibleng anyo ng dark matter.

Mga milestone bago gumana ang mga orasan

Nauna sa pinakabagong mga resulta ang mga taon ng pananaliksik upang mapatunayan ang pag-iral ng excited state, matukoy ang enerhiya nito at makabuo ng angkop na mga laser. Ayon kay Schumm, nagtatrabaho na ang pangkat niya para sa nuclear clock mula pa noong 2008. Iminungkahi nina Peik at Christian Tamm ang pamamaraan ng thorium clock noong 2003.

• 2016: Ipinakita ng mga mananaliksik ang pag-iral ng thorium isomer sa pamamagitan ng proseso ng pagkabulok nito, ayon sa kasaysayang nakalahad sa papel ng Vienna.
• Setyembre 12, 2019: Inilarawan ng TU Wien ang dalawang eksperimento na nagpahusay sa kaalaman tungkol sa transition, bago pa magkaroon ng gumaganang orasan.
• Abril 2024: Direktang pinasigla ng kolaborasyon ng TU Wien at PTB ang nuclear transition ng thorium gamit ang laser light.
• Taglagas 2024: Ikinabit ng mga mananaliksik ang aparatong nagpapasigla sa thorium sa isang karaniwang optical atomic clock.
• 2025: Nagbigay-daan ang tuloy-tuloy na pinagmumulan ng ultraviolet laser at mga sukat ng pagsipsip sa tuloy-tuloy na pagsisiyasat sa transition.
• Oktubre 7, 2026: Iniulat sa dalawang pag-aaral sa Nature ang gumaganang mga nuclear clock na may feedback.

Inilalahad sa anunsiyo ng TU Wien tungkol sa milestone noong 2019 ang di-tuwirang pagsukat gamit ang mga ion ng thorium na nalikha sa pagkabulok ng uranium 233. Humigit-kumulang 2% ng mga ito ang napunta sa excited state. Sa pagpapadaan sa mga ion sa graphene, na-neutralize ang mga ito, at nakatulong ang enerhiya ng mga electron na kasunod na inilabas upang matukoy ang enerhiya ng nuclear state.

Gumamit naman ang hiwalay na eksperimento sa Japan ng matitinding synchrotron X-ray para mapasok ang nukleo sa mas mataas na nuclear state, na pangunahing nabubulok tungo sa ninanais na isomer. Mga hakbang ang mga ito para matukoy at masukat ang transition, hindi mga demonstrasyon ng gumaganang orasan.

Ayon sa isang akademikong pangkalahatang-ideya ng quantA, natukoy ng pangkat ni Schumm ang enerhiya ng transition hanggang 12 decimal place at nakabuo ito ng ultraviolet excitation sa pamamagitan ng high harmonic generation. Inilalarawan nito ang paggawa ng prototype bilang yugto ng inhinyeriya sa loob ng quantA Cluster of Excellence at ERC Synergy Project. Sumulong lampas sa naunang yugtong iyon ang mga bagong demonstrasyon ng feedback.

Ano ang kailangang pagbutihin bago magamit sa praktika?

Kabilang sa mga agarang prayoridad ang mas malakas at mas matatag na mga laser, mas mahusay na detector at mas dalisay at mas pantay na mga kristal. Kailangang pagbutihin ng Vienna ang reproducibility sa magkakahiwalay na takbo ng pagsukat. Sinusuri naman ng Beijing ang mas mahusay na mga materyal na host at posibleng thorium ion clock, na mas lubusang maghihiwalay sa mga nukleo ngunit mas mahirap buuin sa teknikal.

Magkakaiba rin ang mga ulat tungkol sa lapad ng resonance. Binanggit ni Peik ang nasukat na lapad na 30 kilohertz, samantalang gumamit ang papel ng Vienna ng humigit-kumulang 100 kilohertz sa pagsusuri nito sa pagganap ng orasan. Iniulat sa papel ng China ang 27 kilohertz para sa piniling transition sa pinahusay na kristal. Hindi dapat pagsamahin sa iisang sukat ang mga ito. Mas malapad nang malaki ang lahat kaysa sa inaasahang likas na resonance ng nukleo, na nagpapakitang may puwang pa para sa pagpapahusay.

Kabilang sa posibleng gamit ang satellite navigation, telekomunikasyon, naka-synchronize na paglilipat ng datos at pagsusuri ng lupa. Inilalarawan din sa pahayag ng TU Wien tungkol sa mga aplikasyon noong 2024 ang pagsukat sa gravitational field ng Daigdig batay sa epekto ng grabidad sa takbo ng mga orasan, na maaaring gamitin sa paghahanap ng mineral at pag-aaral sa tectonics ng mga plato. Aplikasyong posibleng makamit pa lamang ang pagtukoy nito sa prediksiyon ng lindol, hindi isang napatunayang kakayahan.

Ayon kay Daniel de Mercado, isang pisiko sa Spanish Center of Metrology, maaaring magamit ang tumpak na mga sukat ng transition upang subukan kung naiiba ang mga naobserbahang halaga sa mga teoretikal na prediksiyon. Maaaring magpahiwatig ng mga hindi pa kilalang interaksiyon ang ganitong mga pagkakaiba. Para sa kasalukuyang mga prototype, mas agarang gamit ang papel ng mga ito sa pananaliksik kaysa sa pagpapalit sa mga orasan sa pang-araw-araw na imprastraktura.

Itinuturing ni Del Campo na posibleng maging kalamangan sa hinaharap ang katumpakang lampas sa 10^-19, ngunit nagdududa siyang magiging handa ang mga nuclear clock na makaapekto sa posibleng muling pagbibigay-kahulugan sa segundo sa 2030. Walang nakumpirmang deadline ng paglalagay sa serbisyo o nakatakdang pagpapalit sa mga umiiral na pamantayan ng oras kaugnay ng mga demonstrasyong ito. Ang susunod na gawain ay patunayan na kayang pagsamahin ng mga pinahusay na aparato ang mababang kawalang-estabilidad, reproducible na mga dalas at malinaw na naunawaang katumpakan.

Mahahalagang Punto

• Iniulat ng magkakahiwalay na pangkat mula Europa at China ang gumaganang thorium nuclear clock sa Nature noong Oktubre 7, 2026.
• Gumagamit ang dalawang orasan ng ultraviolet absorption sa mga kristal ng calcium fluoride na may thorium upang itama ang mga dalas ng laser ng mga ito.
• Gumana nang mahigit 24 na oras ang prototype sa Vienna nang walang interbensiyon.
• Anim na beses na mas maliit ang iniulat na coefficient ng kawalang-estabilidad ng orasan ng China kaysa sa orasan ng Europa.
• Hindi pa nahihigitan ng alinman sa mga prototype ang pinakamahusay na optical atomic clock.
• Walang nakitang signal sa paghahanap ng Vienna sa dark matter, ngunit nakapagtakda ito ng mga limitasyon sa mga piling teoretikal na interaksiyon.
• Nananatiling pangunahing hamon bago ang praktikal na paggamit ang pagkakapantay-pantay ng mga kristal, lakas ng laser at reproducibility.