नाभिकीय घड़ी के नमूने ने लेज़र की आवृत्ति एक दिन से अधिक स्थिर रखी

सटीक घड़ी को ऐसी लय चाहिए जो भटके नहीं। वियना और ब्राउनश्वाइग के शोधकर्ताओं ने लेज़र की आवृत्ति की थोरियम नाभिक के ऊर्जा परिवर्तन से लगातार तुलना कराकर उसमें अपने आप सुधार कराया। उनका नाभिकीय घड़ी का नमूना इस फीडबैक के साथ 24 घंटे से अधिक चला। उसका शुरुआती प्रदर्शन अब भी सर्वोत्तम ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों से पीछे है; बराबरी करना भविष्य का लक्ष्य है।

आज की ऑप्टिकल परमाणु घड़ियाँ परमाणु के नाभिक के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा परिवर्तन के अनुरूप समायोजित प्रकाश के दोलन गिनती हैं। नाभिकीय घड़ी इसके बजाय नाभिक के भीतर ऊर्जा परिवर्तन को संदर्भ बनाती है। थोरियम-229 एक समस्थानिक है, यानी थोरियम का विशेष नाभिकीय बनावट वाला रूप। उसके संबंधित परिवर्तन तक 148 नैनोमीटर तरंगदैर्ध्य वाली पराबैंगनी रोशनी से पहुँचा जा सकता है; यह तरंगदैर्ध्य दिखाई देने वाली रोशनी से बहुत छोटा है। एक नैनोमीटर मीटर का अरबवाँ भाग है।

Luca Toscani De Col, Thomas Riebner, Ira Morawetz और सहकर्मियों ने कमरे के तापमान पर मिलीमीटर आकार के कैल्शियम फ्लोराइड क्रिस्टल में थोरियम-229 समाहित किया। लेज़र की आवृत्ति जब नाभिक द्वारा सोखी जाने वाली आवृत्ति से मिलती है, तो अनुनाद होता है। दल ने प्रकाश का अवशोषण मापा, लेज़र के उस मेल से हटने का पता लगाया और उसे ठीक करने के लिए सूचना वापस भेजी। फीडबैक का अर्थ एक बार समायोजन नहीं, बल्कि बार-बार माप और सुधार है।

सरल शब्दों में: किसी वाद्य को एक मानक सुर से मिलाने की कल्पना करें। लेज़र वह सुर है जो बिगड़ सकता है; नाभिक मानक देता है; अवशोषण का माप बताता है कि सुधार किस ओर करना है। उपकरण सीधे नाभिक से सेकंड नहीं पढ़ता। वह प्रकाश को नाभिकीय आवृत्ति के साथ रखकर उसके दोलनों को समय गिनने का आधार बनाता है।

Nature में प्रकाशित लेख में शोधकर्ताओं ने स्थिर की गई आवृत्ति की तुलना इटर्बियम आयन पर आधारित घड़ी से की। आयन विद्युत आवेश वाला इटर्बियम परमाणु है, जो यहाँ दूसरा संदर्भ है। आंशिक अस्थिरता बताती है कि मापन की अवधि में आवृत्ति अपेक्षाकृत कितनी बदलती है। यहाँ यह लगभग 3 × 10⁻¹² को सेकंड में अवलोकन समय के वर्गमूल से भाग देने की दर से घटी और एक दिन बाद 10⁻¹⁵ के करीब पहुँची। यह देखी गई अवधि की स्थिरता है, लाखों वर्षों तक पूर्ण शुद्धता का प्रमाण नहीं।

इसी उपकरण पर TU Wien की संस्थागत सूचना में किसी व्यक्तिगत रिपोर्टर का नाम नहीं है; उसमें मूलभूत भौतिकी की जाँच को संभावित उपयोग बताया गया है। दल ने 20 सेकंड से एक दिन तक के चक्रों में अति-हल्के डार्क मैटर के कुछ मॉडलों द्वारा अनुमानित आवृत्ति बदलाव भी खोजे। डार्क मैटर के इस रूप का अस्तित्व अभी पुष्ट नहीं हुआ है। विश्लेषण ने जाँचे गए मॉडलों को सीमित किया, लेकिन डार्क मैटर का पता नहीं लगाया। हाल में प्रकाशित अन्य नाभिकीय घड़ियाँ अलग प्रयोग हैं और इस परिणाम का हिस्सा नहीं हैं।

प्रमाण यह स्थापित करता है कि नाभिकीय संदर्भ ने एक दिन से अधिक समय तक लेज़र के प्रकाश को लगातार नियंत्रित किया। इससे सटीकता का नया रिकॉर्ड या नौवहन और संचार के लिए तैयार उपकरण स्थापित नहीं होता। शोर घटाकर और लंबी अवधि तक आवृत्तियों की तुलना करके पता चलेगा कि यह व्यवस्था सर्वोत्तम परमाणु संदर्भों की बराबरी कर सकती है और भौतिक नियमों की जाँच को आगे बढ़ा सकती है या नहीं।