Prvi nuklearni sat u funkciji u Beču

Nakon godina istraživanja, postignut je veliki napredak i prvi nuklearni sat na svetu, koji koristi potpuno novi kvantni sistem za precizna merenja, u funkciji je u Beču.

Mogućnost korišćenja lasera za precizno prebacivanje atomskih jezgara torijuma-229 iz jednog stanja u drugo – koncept opisan u časopisu „Physical Review Letters“ 2024. godine, već je izazvala veliko uzbuđenje.

Na vidiku se pojavila ideja o „nuklearnom satu”. Sada je isti tim, predvođen Thorstenom Schummom sa Tehničkog univerziteta u Beču (TU Wien), uspešno izradio prvi takav sat na Bečkom institutu za atomsku fiziku i objavio svoje rezultate u časopisu „Nature“.

Ovo otvara nove mogućnosti u tehnologiji i istraživanju.

Još pre dve godine govorilo se da bi Schumm i Ekkehard Peik sa Instituta za fiziku i tehniku (PTB) u Braunschweigu u Nemačkoj, mogli da budu kandidati za Nobelovu nagradu.

Kada su ga novinari agencije APA tokom posete o tome pitali, Schumm je zauzeo pragmatičan stav: pre svega, raduje ga činjenica da ljudi sada vide toliki potencijal u oblasti koja je nekada donekle odbacivana kao puka „zanimljivost”.

„Malo ljudi ima tu sreću”, naglasio je Schumm.

Kaže da ga dostizanje ove prekretnice čini „ponosnim”, mada napominje da bi se taj put mogao nastaviti mnogo dalje, ukoliko se ispune odgovarajući uslovi.

Kada je Schumm, uz delimičnu podršku nagrade START koju dodeljuje Austrijski fond za nauku (FWF), 2009. godine započeo ozbiljnu potragu za tačnom laserskom frekvencijom potrebnom za prebacivanje jezgara izotopa torijuma-229, uspeh je bio daleko od zagarantovanog.

„Obično se smatra da je nemoguće koristiti lasersku svetlost za prevođenje atomskog jezgra u drugo energetsko stanje. Međutim, ovaj specifični izotop torijuma predstavlja jedinstven slučaj: poseduje dva energetska nivoa koja su veoma blizu jedan drugom. Nipošto nije bilo unapred izvesno da će ta teorijska mogućnost postati stvarnost“, rekao je Schumm.

Kao prekretnicu označava složen eksperiment sproveden u CERN-u u Ženevi.

Cilj je bio da se suzi opseg pretrage za tačnom frekvencijom – istraživači su to postigli tako što su relativno „grubo” stvarali jezgra torijuma putem nuklearnog raspada, dovodeći ih u stanje više energije, a zatim posmatrajući njihov povratak u osnovno stanje. Pritom su jezgra emitovala određenu vrstu fotona, odnosno gama zračenja.

Frekvencija te emisije pružila je naučnicima trag o opsegu oscilacija neophodnom za ciljanu ekscitaciju.

Schumm priznaje da je u početku bio skeptičan po pitanju uspeha te metode, a nakon što se ona pokazala uspešnom, čak je „izgubio prilično veliku opkladu”.

Ipak, tada je shvatio da će, „ako jezgra torijuma budu ’sarađivala’”, na kraju uspeti i mnogo suptilniji oblik ekscitacije. Uprkos tome, bila je potrebna još jedna godina saradnje sa kolegama iz Braunschweiga da bi se precizno odredila tačna frekvencija.

Zapis početnog signala fluorescencije — zabeležen nakon uspešne manipulacije atomskim jezgrom pomoću lasera — sada visi u Schummovoj kancelariji kao uspomena s kraja 2023. godine.

„Bio je to ogroman, gotovo nadljudski poduhvat koji nas je doveo do krajnjih granica. Živci su nam svakako bili napeti. Ali to je dokazalo da se atomsko jezgro može pobuditi pomoću lasera, a od tada se dogodilo zaista mnogo toga”, objasnio je on.

Nakon brojnih pojedinačnih koraka i zapaženih studija u prestižnim naučnim časopisima, prvi nuklearni sat predstavljen je ovog meseca kao relativno kompaktan uređaj u maloj laboratoriji pored jedinog austrijskog istraživačkog nuklearnog reaktora, smeštenog na Tehničkom univerzitetu u bečkoj četvrti Leopoldstadt.

„Da bi se postigao efekat prebacivanja, laserska svetlost mora proći kroz složenu modulaciju kako bi dostigla opseg izuzetno kratkih talasnih dužina neophodan za taj poduhvat. U tom režimu, svetlost se može širiti samo u vakuumu“, objašnjava Schumm.

U komori bez vazduha smeštena je ključna komponenta sata i element koji meri vreme: kristal koji sadrži ugrađena atomska jezgra torijuma-229.

„Laserski zrak se usmerava nagore pomoću ogledala, a zatim prolazi kroz kristal”, objašnjava fizičar. Detektori postavljeni pozadi i bočno registruju svetlost koja je pretrpela karakterističnu promenu usled prelaska jezgara između energetskih nivoa.

Samostabilizujući nuklearni sat

Kada laser probudi atome na tačno određenoj frekvenciji, signal vremenom blago slabi. Ako dođe do minimalnog odstupanja – koje dovodi do jačanja signala – odgovarajući algoritam može odmah da koriguje frekvenciju. Sistem se na taj način sam stabilizuje.

To znači da je nuklearna pobuda iskorišćena za primenu istog principa rada koji se sreće kod „gotovo svakog sata” – uključujući i konvencionalne atomske satove.

Od kvarcnih do atomskih satova, uvek je neophodan sistem koji pouzdano osciluje i održava se u rezonanciji pomoću povratne sprege.

I ovi drugi i novi nuklearni sat funkcionišu u domenu „kvantne metrologije”, gde kvantno-mehanički procesi služe kao merilo vremena. Kod atomskog sata, laser se koristi za prevođenje elektrona unutar naelektrisane čestice (jona) na viši energetski nivo, pri čemu se taj proces stabilizuje neprekidnim nadzorom. U nedavno objavljenoj studiji, Schumm i njegov tim su svoj nuklearni sat neprekidno koristili tokom 24 sata, uporedo sa atomskim satom zasnovanim na jonima iterbijuma. Poređenje pokazuje da bečki nuklearni sat funkcioniše.

Merenje pomoću novog kvantnog sistema

Probni rad je pokazao da ovaj sistem postiže tačnost sa stopom greške od oko jedne sekunde na svakih 30 miliona godina.

Radi poređenja, najprecizniji atomski sat trenutno odstupa za jednu sekundu na svakih 55 milijardi godina. Ipak, postoji značajan prostor za poboljšanje preciznosti nuklearnog sata, uz planove da se u narednim godinama nadmaše trenutni vrhunski rezultati.

„U principu, osim elektronskog omotača, sada imamo potpuno novi kvantni sistem kojem možemo pristupiti i kojim možemo upravljati. Reč je o drugačijoj vrsti fizike”, napominje Schumm.

Ovo dostignuće nije prošlo nezapaženo u svetskoj naučnoj zajednici. Obezbeđena su značajna sredstva u zemljama poput SAD i Kine kako bi se nadmetale u ovoj „strateški važnoj oblasti”.

Na primer, kineski tim je objavio detalje sopstvenog dizajna nuklearnog sata u istom broju časopisa „Nature“, iako su, prema Schummovim rečima, malo zaostajali za bečkom grupom i, uslovno rečeno, primenili „recept” razvijen na lokaciji u blizini Dunavskog kanala i Pratera.

Navigacija ka tamnoj materiji

Da bi novi sat učinili još preciznijim, istraživačima su sada potrebni posebno dizajnirani kristali u kojima je „torijum u suštini prirodna komponenta”, kao i više statističkih podataka merenja dobijenih pomoću snažnijih lasera. Ovi drugi su trenutno u fazi razvoja, dok rad na kristalima u Beču već teče punom parom.

„Međutim, postoje i primene koje ne zavise od toga da li je reč o najboljem satu na svetu”, naglasio je Schumm.

Do sada su merenja visoke preciznosti – bilo na Zemlji ili u svemiru – zahtevala složenu, tešku i prilično glomaznu opremu. U budućnosti bi, međutim, nuklearni satovi potencijalno mogli da stanu na „mali čip”. To bi tehnologiju učinilo privlačnom za mnogo širi krug korisnika, posebno u oblasti navigacije.

Štaviše, ovaj suštinski nov i kontrolisani kvantni sistem – „zasnovan na drugačijim fundamentalnim fizičkim silama” – mogao bi da otvori nove načine za rešavanje osnovnih pitanja u fizici. Rad na tome je već započet u okviru trenutne studije, u kojoj je učestvovala i Savezna kancelarija za metrologiju i geodetske poslove (BEV): tim je utvrdio da se u određenom frekventnom opsegu ne mogu pronaći dokazi o postojanju tamne materije određene mase.

„Dakle, pokazujemo da se tamna materija, takoreći, mora nalaziti negde drugde”, rekao je Schumm.

Balansiranje između više prioriteta

Ipak, zadržavanje vodeće pozicije usred velikog međunarodnog interesovanja zahteva značajan napor. Iako tim trenutno poseduje više iskustva od drugih grupa – sa kojima takođe blisko sarađuje – teško mu je da drži korak sa ostalim akterima kada je reč o resursima. Ograničavajući faktori uključuju univerzitetske budžete koji su daleko od neograničenih, kao i finansiranje projekata – uključujući i ono za kvantnu infrastrukturu – koje često ističe nakon svega nekoliko godina i praćeno je složenom administracijom.

Predstojeći zadatak obuhvata kako dalji razvoj same tehnologije, tako i korišćenje sata za sprovođenje fundamentalnih istraživanja; ovo drugo zahteva više hronometara. Istovremeno, postoji ogromna potražnja za kristalima razvijenim u Beču.

„To znači da bi zaista trebalo da se bavimo proizvodnjom ovde”, rekao je Schumm, koji istovremeno vodi brojne inicijative – uključujući i predstojeće pokretanje startap kompanije.

„Na kraju krajeva, reč je o proširenju obima poslovanja. Potrebno nam je više novca i više ljudi. Jedno je sigurno. Definitivno želim da ostanem ključni igrač u ovoj oblasti u narednih pet do deset godina”, naglasio je austrijski naučnik.