Dünyanın en hassas zaman ölçüm araçları uzun yıllardır atomun yörüngesindeki elektronların enerji seviyeleri arasındaki geçişlere dayanıyordu. Uluslararası bir fizikçi ekibi, zaman ölçümünde bir ilke imza atarak doğrudan atom çekirdeğindeki enerji geçişini referans alan ve kendi frekans sapmasını anında düzelten ilk optik nükleer saati başarıyla çalıştırdı. Prestijli bilim dergisi Nature’da yayımlanan araştırma; evrenin temel sabitlerinin test edilmesinden karanlık maddenin aranmasına kadar temel fizikte yeni bir çağ başlatabilir.
Toryum-229 çekirdeği lazer frekansını kilitliyor
Viyana Teknik Üniversitesi araştırmacılarının da yer aldığı uluslararası ekip, Toryum-229 izotopunu kullanarak geliştirdikleri sistemde derin ultraviyole lazer frekansını çekirdekteki enerji geçişine sürekli olarak sabitlemeyi başardı. Sistemin en kritik özelliği; lazer frekansı hedeften saptığı anda saatin bunu anında tespit edip otomatik olarak doğru frekansa geri döndürmesi ve çekirdeği aktif bir geri bildirim mekanizmasına dönüştürmesi oldu.
Geleneksel atom saatlerinin aksine nükleer saatin sunduğu teknik ayrıcalıklar öne çıkıyor:
- Çekirdeğin Korumalı Yapısı: Elektron bulutlarının aksine atom çekirdeği, dış manyetik ve elektriksel parazitlerden çok daha az etkileniyor.
- Kristal İçi Yoğunluk: Tek bir iyon veya atomla sınırlı kalmak yerine, oda sıcaklığındaki küçük bir kalsiyum florür kristali içerisine milyarlarca Toryum-229 çekirdeği yerleştirilebiliyor.
- Hassas Dalga Boyu: Toryum-229 çekirdeği, yaklaşık 148 nanometrelik nadir ve düşük enerjili bir nükleer geçiş sunduğu için mevcut lazer teknolojisiyle doğrudan tetiklenebiliyor.
İterbiyum saatiyle 24 saatlik test ve karanlık madde avı
Sistemin stabilitesini doğrulamak isteyen araştırmacılar, toryum nükleer saatini iterbiyum iyonuna dayalı hassas bir optik saatle yaklaşık 23 saat boyunca kesintisiz karşılaştırdı. Bir günlük çalışma sonunda frekans kararsızlığı katrilyonda bir (10⁻¹⁵) seviyesine kadar geriledi. Mevcut en gelişmiş optik saatlerin hassasiyetine henüz ulaşamamış olsa da çekirdeğin aktif bir düzeltme mekanizmasıyla sürekli referans olarak kullanılması bilim dünyasında dönüm noktası olarak değerlendirildi.
Geliştirilen nükleer saat, evrenin gizemlerinden karanlık maddenin tespiti için de ilk sınavını verdi. Teoriye göre ultra hafif karanlık madde dalgaları doğanın temel fizik sabitlerinde periyodik mikro dalgalanmalara yol açabiliyor. 20 saniyeden bir güne kadar uzanan frekans taramasında henüz karanlık maddeye dair doğrudan bir sinyal yakalanamasa da ölçümler, varsayımsal karanlık madde ile normal madde arasındaki etkileşim sınırlarını daha net belirledi. Güçlü nükleer kuvvet ve kuark kütleleriyle ilgili bazı teorik senaryolarda mevcut sınırlar 100 ila 1000 kat daha hassas hale getirildi.
Araştırmacılar kristal kalitesinin artırılması ve lazer sistemlerinin geliştirilmesiyle nükleer saatlerin gelecekte mevcut atom saatlerinin hassasiyetini geride bırakacağını öngörüyor.
