ساخت ساعت هسته‌ای ممکن شد

به گزارش خبرنگار علم و فناوری آنا، همه امور جهان از ناوبری ماهواره‌ای گرفته تا سیستم‌های موقعیت‌یاب جهانی (GPS) بر اساس زمان‌سنجی فوق‌العاده دقیق و معمولاً بر اساس ساعت‌های اتمی پیش می‌روند. این دستگاه‌ها از منابع انرژی مانند لیزر‌های تنظیم‌شده روی فرکانس‌های خاص استفاده می‌کنند.

این فرکانس‌های خاص برای تحریک الکترون‌هایی هستند که به دور هسته‌های اتمی می‌چرخند. الکترون‌ها به سطح انرژی بالاتر می‌پرند و به این‌ترتیب یک بازه زمانی یا همان «تیک» معروف را رقم می‌زنند.

اما حتی ساعت‌های اتمی هم بی‌نقص نیستند، زیرا عوامل محیطی می‌توانند بر چگونگی جهش الکترون‌ها تأثیر بگذارند. از آنجا که ابزار‌های فناورانه ما نیاز به دقت بیشتری دارند، فیزیکدانان در حال ابداع یک راه‌حل جدید هستند.

با تحریک پروتون‌ها و نوترون‌ها به جای الکترون‌ها، زمان‌سنجی را در داخل هسته که از چنین تداخلی به‌دور است، حرکت می‌دهیم، ولی چون پروتون‌ها و نوترون‌ها نسبتاً متراکم هستند، یک «ساعت هسته‌ای» به لیزر‌های تنظیم‌شده بسیار قوی‌تری و نوع بسیار خاصی از اتم نیاز دارد. 

اکنون اندازه‌گیری‌های موفقیت‌آمیز ایزوتوپ توریم ۲۲۹ که به تازگی در مجله نیچر (Nature) منتشر شده، نشان می‌دهد که دسترسی به یک ساعت هسته‌ایِ کاربردی سرانجام ممکن شده است. بر اساس این گزارش، ساعت‌های اتمی در هر ۱۰۰ میلیون سال یک ثانیه خطا دارند، ساعت‌های هسته‌ای در هر ۳۱.۷ میلیون سال یک ثانیه خطا می‌کنند که دو برابر از عمر کل جهان هستی بیشتر است. 

این افزایش دقت می‌تواند منجر به پیشرفت در زمان سنجی، فیزیک هسته‌ای و فناوری حسگر کوانتومی در ناوبری ماهواره‌ای و مخابرات شود. خوزه آر. کرسپو لوپز-اوروتیا (José R. Crespo López-Urrutia)، دانشمند مؤسسه فیزیک هسته‌ای ماکس پلانک (Max Planck) آلمان می‌گوید: «این پیشرفت جدید، اندازه‌گیری‌های فیزیک هسته‌ای را از [ضریب]یک تریلیون تا یک کادریلیون بهبود می‌بخشد.»

سال ۲۰۰۳ فیزیکدانان برای اولین بار مطرح کردند که یک ایزوتوپ مصنوعی به نام توریم ۲۲۹ می‌تواند کلید زمان‌سنجی هسته‌ای باشد. از نظر تئوری، ذرات هسته‌ای توریم ۲۲۹ می‌توانند به یک حالت برانگیخته با انرژی بسیار پایین تبدیل شوند و آن را به تنها ایزوتوپی تبدیل کنند که می‌تواند با استفاده از فناوری فعلی لیزر برای یک ساعت هسته‌ای تحریک شود.

آدریانا پالفی (Adriana Palffy)، فیزیکدان دانشگاه وورزبرگ (Würzburg) آلمان، می‌گوید: «اکثر انتقال‌های هسته‌ای [عناصر]دارای انرژی‌های بسیار بزرگی تا محدوده هزاران یا میلیون‌ها الکترون ولت هستند که فراتر از توانایی لیزر‌های پیشرفته است».

در پژوهش حاضر گروهی از فیزیکدانان در مرکز فیزیک هسته‌ای سرن (CERN)، برای اولین بار انتقال هسته‌ای توریم ۲۲۹ را شناسایی و اندازه‌گیری کردند.

در ولتاژ ۸.۳ الکترون ولت، انتقال به حدی کوچک است که می‌تواند با یک لیزر تنظیم‌شده خاص تحریک شود. پایت ون دوپن (Piet Van Duppen)، سخنگوی گروه و استاد مؤسسه فیزیک هسته‌ای و تشعشعی در بلژیک می‌گوید: «فیزیکدانان اکنون در حال توسعه لیزر‌هایی هستند که ساعت توریوم را تیک‌دار می‌کنند. در صورت رخ دادن ارتعاش بین توریم ۲۲۹ و این لیزر‌های جدید، جهشی بزرگ و رو به جلو خواهیم داشت.»