Cercetătorii au construit ceasuri bazate pe nucleul atomului. Precizia superioară rămâne de demonstrat

Primele ceasuri nucleare care funcționează, construite în jurul toriului-229, vin de la două echipe care au lucrat independent, una coordonată din Viena, cealaltă din Beijing. Fiecare și-a prezentat rezultatele într-un studiu distinct, publicat în Nature la 7 octombrie 2026.

Prototipurile sunt însă mai puțin stabile decât cele mai performante ceasuri atomice optice, potrivit Descopera.ro. Cercetătorii consideră că îmbunătățirea cristalelor, a laserelor și a sistemelor care citesc semnalul ar putea crește considerabil performanța.

Semnalul nucleelor corectează permanent laserul

Ambele dispozitive conțin toriu-229 încorporat în cristale de fluorură de calciu. Cercetătorii au îndreptat un laser ultraviolet asupra cristalelor și l-au reglat până când lumina a determinat nucleele să treacă între două stări energetice.

Frecvența laserului se poate modifica ușor în timp. Semnalul produs de nucleele de toriu permite detectarea acestor abateri și corectarea permanentă a laserului. Tranziția nucleară devine astfel reperul care îi controlează frecvența, pasul necesar pentru ca instalația să funcționeze ca un ceas, în loc să măsoare doar o tranziție.

Toriul-229 este potrivit pentru că prima stare excitată a nucleului său, adică una cu energie mai mare, necesită neobișnuit de puțină energie. Nucleul poate ajunge în această stare cu ajutorul unui laser ultraviolet special, la o lungime de undă de aproximativ 148 de nanometri. Pentru cele mai multe alte tranziții nucleare ar fi nevoie de raze X sau gamma, greu de controlat atât de precis cât cere un ceas.

Echipele au obținut rezultate asemănătoare aproape simultan, folosind metode parțial diferite. Cercetătorii europeni au utilizat cristale cu proprietăți optice mai bune, iar cei chinezi au realizat o sursă laser mai puternică. Cele două experimente arată că principiul poate fi reprodus.

Ideea unui ceas nuclear bazat pe toriu-229 a fost formulată în 2003. Transformarea ei într-un dispozitiv funcțional a necesitat peste două decenii.

Reperul pentru timp se mută de la electroni la nucleu

Un ceas are nevoie de un proces care se repetă regulat: mișcarea unui pendul, vibrațiile unui cristal de cuarț sau o frecvență naturală a atomilor. În ceasurile atomice, reperul provine din trecerea electronilor între niveluri energetice bine definite, atunci când absorb sau emit energie. Radiația electromagnetică asociată acestor tranziții are o frecvență extrem de stabilă.

Definiția secundei în Sistemul Internațional de Unități folosește cesiul-133: o secundă înseamnă exact 9.192.631.770 de perioade ale radiației legate de o anumită tranziție energetică a acestui atom.

Ceasurile optice de astăzi se bazează pe frecvențe mult mai ridicate și folosesc atomi ca stronțiul sau iterbiul. Cele mai bune ar putea merge miliarde de ani înainte ca abaterea lor să ajungă la o secundă.

Într-un ceas nuclear, schimbarea stării energetice are loc în nucleu și presupune modificarea configurației protonilor și neutronilor. Dispozitivele nu folosesc fisiunea sau fuziunea și nu produc energie nucleară. Numele lor indică partea atomului folosită pentru măsurarea timpului.

Nucleul ar putea oferi un reper mai puțin sensibil la perturbări

Mult mai mic decât întregul atom, nucleul este parțial protejat de electronii din jurul său. Tranziția nucleară ar putea fi astfel mai puțin influențată de câmpuri electrice și magnetice, temperatură și alte perturbări exterioare.

Într-un cristal încap foarte multe nuclee, chiar și într-un volum mic. Acest lucru ar putea face ca dispozitivele viitoare să fie mai compacte și mai rezistente decât ceasurile atomice dependente de camere cu vid, de răcirea atomilor și de instalații complexe.

Măsurarea mai precisă a timpului ar putea îmbunătăți navigația

Aplicațiile posibile ale unei precizii mai mari includ:

• Navigația prin satelit, unde diferențe de numai câteva miliardimi de secundă între ceasurile sateliților pot produce erori de poziționare de câțiva metri. Ceasurile atomice sunt esențiale pentru funcționarea acestor sisteme.
• Sincronizarea rețelelor de comunicații.
• Măsurătorile geodezice, adică măsurători ale Pământului.

Pe lângă măsurarea timpului, ceasurile ar putea servi drept senzori gravitaționali. Relativitatea generală arată că ritmul timpului variază ușor odată cu intensitatea câmpului gravitațional. Dacă ar fi suficient de sensibil, un astfel de dispozitiv ar putea sesiza variații foarte mici de altitudine sau modificări de sub suprafața Pământului.

Ceasul realizat la Viena a fost folosit într-un experiment de căutare a materiei întunecate. Cercetătorii nu au detectat-o, dar au demonstrat că dispozitivul poate fi utilizat pentru testarea unor întrebări fundamentale din fizică.