Dünyanın İlk Nükleer Saatiyi Altüst Eden Çin: İlk Testlerde 6 Kat Daha İyi Kararlılık Vardi.

Pekin merkezli Tsinghua Üniversitesi araştırmacıları, nükleer saat teknolojisinin ilk iki çalışır örneğinden birini geliştirdi ve bu cihazın Viyana’daki rekabetçi sistemden yaklaşık altı kat daha kararlı çalıştığını belirledi. Araştırmacılar, toryum-229 izotopunun çekirdeklerini kristaller içine hapsederek zaman ölçüm mekanizmasını elektronlardan atom çekirdeğine taşıdı. Nature dergisinde yayımlanan çalışma, yeni nesil hassas saatlerin yolunu açarken, fizikçilere doğanın temel yasalarını test için yeni bir araç sunmayı hedefliyor.

Sonuçlar, iki farklı laboratuvarın bağımsız olarak ürettiği kristallerin neredeyse aynı saat sinyalini verdiğini gösterdi. Ölçümler birbirıyla yaklaşık 10 trilyonda üç oranında uyum sağladı. Bu tutarlılık, sinyalin tek bir olağanüstü kristale bağlı olmadığını ortaya koyarken, Colorado’daki JILA laboratuvarının önceki ölçümleriyle de örtüşüyor.

Kararlılıkta Sıradışı Bir Adım

Nükleer saatlerin en dikkat çeken özelliği, zamanı belirlemek için elektron enerji durumları yerine atom çekirdeğinin iç bir geçişini izlemesidir. Elektronlar atomun etrafında çok daha geniş bölgelerde yer alırken, çekirdek çok daha küçük ve sıkı bağlı kalır. Bu farkın neden önemli olduğu, dış elektrik ve manyetik alanlardan kaynaklanan parazitlerin azalmasıyla açıklanabiliyor; daha az parazit ise aşırı doğruluğa ulaşma potansiyeli taşıyor.

Nükleer saatler aynı zamanda karanlık madde araştırmalarında da kullanılabiliyor. Fizikçiler, nükleer ve atom saatlerini karşılaştırarak fiziksel sabitlerdeki minik değişimleri izleyebiliyor. Viyana’daki ekip, karanlık madde aramasında kendi saatini zaten kullandı; deney karışık bir sonuç üretmedi.

Bu sonuç, geri döndürülebilir nükleer saatlerin yolunu açan kanıtı güçlendiriyor. Araştırmacılar bu teknolojiyi ileride pratik bir zaman standardına dönüştürebilir.

Ding Shiqian, Tsinghua Üniversitesi nükleer saat çalışmasının lideri

Toryum-229’un Nadir Avantajı

Toryum-229, nükleer zaman ölçümü için eşsiz bir avantaj sunuyor: Çekirdeği, mevcut lazerlerin ulaşabildiği ultraviyole ışına tepki verebiliyor. Çoğu atom çekirdeği, benzer geçişler için çok daha fazla enerji gerektiriyor. Bilim insanları toryum-229’u ancak 2024 yılında lazerlerle yönlendirebildi.

Tsinghua sistemi, ultraviyole ışını üretmek için 600 derece Celsius’a (1.112 Fahrenheit) ısıtılan kadmium buharı kullanıyor. Araştırmacılar bu ışını küçük bir toryum katkılı kristale yönlendiriyor. On iki santimetreden bile küçük olan kristal, yaklaşık bir trilyon toryum çekirdeği içeriyor.

Viyana’daki nükleer saat cihazı ise yaklaşık 200 kat daha fazla toryum çekirdeği içeren bir kristal kullanıyor. Ekip, sinyali dokuz kilometreden fazla optik lif üzerinden atom saatiyle karşılaştırıyor.

Karşılıklı Zorluklar ve Gelecek

Viyana araştırmacıları, saat sinyalinin lazerin kristal içinde geçtiği noktaya göre hafifçe değiştiğini tespit etti. Bu dalgalanma, cihazın her gün biraz farklı zaman tutmasına neden oldu. Kristalin iyileştirilmesinin sorunu azaltabileceği düşünülüyor.

Araştırmacılar, nükleer saatlerin uzman laboratuvarlarından çıkıp daha geniş uygulama alanlarına ulaşmasını istiyor. Kompakt tasarımlar, aşırıcılık derecesinde hassas zaman ölçümünü çok daha geniş bir yelpaze için erişilebilir kılabilir.

Bu arada nükleer saatler, en iyi atom saatlerinin ulaştığı kararlılığa henüz ulaşamadı. Atom saatleri 70 yılı aşkın süredir hassas zaman ölçümünü tanımlıyor ve uydu gezgin sistemleri gibi son derece kesin zamanlamaya dayalı teknolojileri destekliyor. Nükleer saatlerin bu yerleşik sistemlerle yarışabilmesi için önemli ilerlemeler kaydetmesi gerekiyor.

Araştırmacılar, toryum-229’un aşırı kıtlığının yeni kristal tasarımlarıyla yapılan deneyleri sınırladığını belirtiyor. Daha iyi kristaller toryumu daha eşit dağıtabilir ve iç kusurları azaltabilir; daha güçlü lazerler ise saat performansını artırabilir.