Прошле године, истраживачи на челу са УЦЛА постигли су прекретницу за којом су физичари тежили пола века. Успели су да натерају радиоактивна језгра торијума да апсорбују и ослобађају фотоне на контролисан начин, слично као што се електрони понашају унутар атома. Идеју је тим први пут предложио 2008. године, а очекује се да ће њена реализација отворити врата новој генерацији изузетно прецизних сатова. Овај напредак би могао драматично побољшати навигационе системе и чак би могао помоћи научницима да тестирају да ли се неке од фундаменталних константи природе мењају током времена.
Упркос продору, остало је озбиљно ограничење. Специфични изотоп потребан за нуклеарне сатове, торијум-229, налази се само у уранијуму за оружје. Као резултат тога, научници процењују да само око 40 грама овог материјала постоји широм света за истраживање часовника, што ефикасност чини кључним изазовом.
Једноставнији приступ користи много мање торијума
Међународна сарадња коју је предводио физичар УЦЛА Ериц Худсон сада је пронашла начин да заобиђе ово уско грло. Тим је открио како да репродукује своје раније резултате користећи само мали део претходно потребног торијума. Њихова нова метода, објављена у Природаје једноставан и јефтин, што повећава могућност да би нуклеарни сатови једног дана могли постати мали и довољно приступачни за широку употребу.
Ако се то догоди, ови сатови би могли да се преселе ван лабораторија и замене системе за мерење времена у електричним мрежама, кулама за мобилне телефоне и ГПС сателитима. Могу се чак довољно смањити да стану у телефоне или ручне сатове. Технологија би такође могла да омогући навигацију на местима где ГПС сигнали не могу да достигну, укључујући дубоки свемир и подводна окружења као што су подморнице.
Петнаест година рада замењено једноставном техником
Хадсонов тим провео је 15 година развијајући специјализоване кристале флуорида допиране торијумом који су омогућили њихов оригинални успех. У тим експериментима, атоми торијума-229 су били повезани са флуором у пажљиво пројектованој структури. Добијени кристали су стабилизовали торијум док су остали провидни за ласерску светлост која је потребна за узбуђење атомског језгра. Међутим, процес се показао изузетно тешким, а производња кристала захтевала је релативно велике количине торијума.
„Урадили смо сав посао на прављењу кристала јер смо мислили да кристал мора да буде провидан да би ласерска светлост стигла до језгара торијума. Стварање кристала је заиста изазовно. Потребно је вечно, а најмања количина торијума коју можемо да користимо је 1 милиграм, што је много када је доступно само 40-ак грама“, рекао је први аутор истраживања Рицк Елвелл-а, који је објавио истраживање Елвелла. 2025. Награда Деборах Јин за изванредна истраживања докторске тезе у атомској, молекуларној или оптичкој физици за прошлогодишњи напредак.
Позајмљивање метода из прављења накита
У новој студији, истраживачи су заузели сасвим другачији приступ. Нанели су изузетно танак слој торијума на нерђајући челик помоћу галванизације, технике која се обично користи у накиту. Галванизација, развијена у раним 1800-им, ослања се на електричну струју која покреће атоме метала кроз проводни раствор и облаже једну површину другим металом. На пример, злато или сребро се често галванизирају на мање вредне метале.
„Требало нам је пет година да схватимо како да узгајамо кристале флуорида и сада смо схватили како да постигнемо исте резултате са једном од најстаријих индустријских техника и употребом 1.000 пута мање торијума. Даље, готов производ је у суштини мали комад челика и много чвршћи од крхких кристала“, рекао је Хадсон.
Поновно размишљање о томе како функционише нуклеарна ексцитација
Успех новог система произашао је из схватања да је дугогодишња претпоставка нетачна. Научници су веровали да торијум треба да буде уграђен у провидни материјал како би ласерска светлост могла да допре до језгра и узбуди га. Тим је открио да је узбудљиво језгро довољно да се посматра његова енергетска транзиција далеко лакше него што се раније мислило.
„Сви су одувек претпостављали да, да би се узбудила, а затим посматрала нуклеарна транзиција, торијум треба да буде уграђен у материјал који је провидан за светлост која се користи за узбуђење језгра. У овом раду смо показали да то једноставно није тачно“, рекао је Хадсон. „Још увек можемо да унесемо довољно светлости у ове непрозирне материјале да побуђујемо језгра близу површине, а затим, уместо да емитују фотоне као у провидном материјалу као што су кристали, они емитују електроне који се могу детектовати једноставним праћењем електричне струје – што је отприлике најлакша ствар коју можете да урадите у лабораторији!
Зашто су нуклеарни сатови важни изван лабораторије
Осим побољшања комуникационих мрежа, радарских система и синхронизације електричне мреже, ултрапрецизни сатови би могли да реше велики проблем националне безбедности: навигацију без ГПС-а. Ако би лош актер – или чак електромагнетна олуја – пореметили довољно сателита, навигација заснована на ГПС-у би пропала. Подморнице се већ ослањају на атомске сатове док су потопљене, али постојећи сатови се померају током времена, приморавајући бродове да изађу на површину након недеља како би потврдили свој положај.
Нуклеарни сатови су далеко мање осетљиви на поремећаје животне средине, што их чини посебно вредним у ситуацијама у којима се тачност мора одржавати у дугим периодима без спољних сигнала.
„Приступ тима УЦЛА могао би да помогне у смањењу трошкова и сложености будућих нуклеарних сатова заснованих на торијуму“, рекао је Макан Мохагег, вођа оптичких сатова у Боеинг Тецхнологи Инноватион. „Иновације попут ових могу допринети компактнијем мерењу времена високе стабилности, релевантном за неколико апликација у ваздухопловству.
Основа за будућа истраживања свемира
Тачнији сатови су такође неопходни за свемирска путовања на велике удаљености, где прецизно мерење времена подупире навигацију и комуникацију.
„Група УЦЛА на челу са Ериком Хадсоном урадила је невероватан посао у проналажењу одрживог начина за испитивање нуклеарне транзиције у торијуму – рад који се протеже више од једне деценије. Овај рад отвара пут одрживом торијумском сату“, рекао је Ерик Барт, који води пројекат атомског сата високих перформанси у НАСА-иној лабораторији за млазни погон и није био укључен у истраживање Лабораторије за млазни погон. „По мом мишљењу, торијумски нуклеарни сатови би такође могли да револуционишу фундаментална физичка мерења која се могу изводити помоћу часовника, као што су тестови Ајнштајнове теорије релативности. Због своје инхерентне ниске осетљивости на пертурбације животне средине, будући торијумски сатови могу такође бити корисни у постављању соларног система који је од суштинског значаја за успостављање трајне временске скале на другој планети.“
Истраживачка сарадња и финансирање
Истраживање је подржала Национална научна фондација и укључили су физичаре са Универзитета у Манчестеру, Универзитета Невада Рено, Националне лабораторије Лос Аламос, Зиглер Аналитицс, Јоханнес Гутенберг-Университат у Мајнцу и Лудвиг-Макимилианс-Университат Минхен.
