ساعت هسته‌ای خودتنظیم جهان به تازگی در وین فعالیت خود را آغاز کرده است
در ماه آوریل سال ۲۰۲۴، گروهی از محققان به رهبری تورستن شوم از مؤسسه فیزیک اتمی و زیراتمی دانشگاه فناوری وین، با همکاری تیم اکهارد پایک از مؤسسه فدرال فیزیک و فناوری براونشوایگ، موفق به ثبت گذار هسته‌ای پیش‌بینی‌شده‌ای شدند که تاکنون برای اولین‌بار به وقوع پیوسته است. این پژوهشگران نشان دادند که می‌توان هسته‌های توریم را با استفاده از تابش پرتو لیزر برانگیخت. در پاییز همان سال، آن‌ها اعلام کردند که این پدیده می‌تواند به‌عنوان پایه‌ای برای طراحی یک ساعت بسیار دقیق عمل کند.
در این آزمایش، سیستم برانگیختگی هسته‌های توریم به یک ساعت اتمی نوری معمولی متصل شد و هسته‌های توریم به‌عنوان مرجع زمانی عمل کردند. با این حال، نمونه‌ی ایجادشده هنوز به‌عنوان یک ساعت هسته‌ای مستقل شناخته نمی‌شد که بتواند بدون اتکا به ساعت اتمی، پایداری خود را حفظ نماید.
تورستن شوم، رئیس این پروژه تحقیقاتی، در توضیح اهداف خود می‌گوید: «آنچه واقعاً مورد نیاز است، یک ساعت هسته‌ای با پایداری خودکار است. مکانیسم کلی کار بسیار ساده است؛ ما لیزر و هسته‌های توریم مورد نیاز را داریم. پرتو لیزر وضعیت انرژی هسته‌های توریم را تغییر می‌دهد و به‌نوبه خود، می‌توان از این هسته‌ها برای تثبیت فرکانس لیزر بهره برد.»
مقدار انحراف در این سیستم حدود یک ثانیه در هر ۳۰ میلیون سال می‌باشد
در ساعت نوآورانه‌ی معرفی‌شده، بلوری که حاوی اتم‌های توریم است، که در دانشگاه فناوری وین تولید شده، تحت تابش لیزر قرار می‌گیرد. نوسانات نور لیزر می‌توانند برای سنجش زمان به کار گرفته شوند، اما فرکانس احتمال دارد به دلیل عواملی نظیر تغییر در دما کمی تغییر کند. این تغییرات می‌تواند در دقت زمانی مشکل‌ساز باشد و نیاز به اصلاح مداوم دارند.
شوم بیان می‌کند: «برای دستیابی به دقت بسیار بالا، به سیستمی نیاز داریم که فرکانس لیزر را به طور کامل پایدار نگه دارد تا ساعت با همان ریتم دقیق، به تیک‌تاک خود ادامه دهد.»
در ساعت‌های اتمی مرسوم، اتم‌ها و حالت‌های انرژی الکترون‌های آن‌ها برای تثبیت فرکانس لیزر استفاده می‌شوند. در ساعت هسته‌ای وین، این وظیفه به هسته‌های توریم واگذار شده است. هسته‌های توریم تنها زمانی نور لیزر را جذب می‌کنند که فرکانس به‌صورت دقیق بر روی میزان مناسب رفته باشد.
اگر فرکانس از این سطح منحرف شود، جذب نور به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. این سیستم با شناسایی این تغییر، به‌صورت خودکار فرکانس لیزر را اصلاح کرده و پایداری ساعت را تضمین می‌کند. این مکانیسم بازخوردی زمینه‌ساز ایجاد نخستین ساعت هسته‌ای با قابلیت تنظیم خودکار است که دیگر نیازی به اتکا به ساعت‌های اتمی مرسوم ندارد.
بر اساس گفته‌های شوم، به‌کارگیری هسته‌های اتمی به‌جای اتم‌ها به‌طور بالقوه می‌تواند سبب دستیابی به دقتی بسیار بالاتر شود. هسته‌های اتمی به‌شدت کوچک‌تر از اتم‌ها هستند و نسبت به اختلالات خارجی واکنش کمتری نشان می‌دهند. این ویژگی می‌تواند هسته‌های اتمی را به مرجع‌های پایدارتر برای سنجش زمان تبدیل کند.
دقت ساعت هسته‌ای جدید در طول یک روز بررسی شده و مقدار آن تقریباً ۱۰ به توان منفی ۱۵ برآورد می‌شود؛ به این معنا که خطایی معادل یک ثانیه در هر ۳۰ میلیون سال وجود دارد. با این حال، این دستاورد به‌معنای برتری ساعت هسته‌ای بر دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی جهان نمی‌باشد.
شوم عملکرد نمونه اولیه را امیدوارکننده ارزیابی می‌کند، اما بر این نکته تأکید می‌کند که دقت این ساعت هنوز به سطح بهترین ساعت‌های اتمی نوری نرسیده است. گروه تحقیقاتی در پی این است که با استفاده از لیزرهای قوی‌تر و ساخت بلورهای توریم با کیفیت بهتر، دقت این سیستم را بهبود بخشد. در صورت موفقیت در این تلاش‌ها، ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند به ابزارهایی حیاتی برای نسل‌های آینده در زمینه اندازه‌گیری‌های فوق‌دقیق تبدیل شوند.
گزارش این پژوهش‌ها در مجله نیچر منتشر شده است.
