دانشمندان نخستین ساعت هسته‌ای جهان را ساختند؛ زمان‌سنجی وارد مرحله تازه‌ای شد
پژوهشگران چین و اتریش نخستین ساعت‌های هسته‌ای جهان را ساخته‌اند؛ فناوری‌ای که می‌تواند دقت زمان‌سنجی را به سطح تازه‌ای برساند.
به نقل از یورونیوز، دانشمندان چین و اتریش برای نخستین بار موفق شده‌اند ساعت‌هایی بسازند که برای اندازه‌گیری زمان به‌جای تغییرات الکترون‌ها، از تغییر وضعیت هسته اتم استفاده می‌کنند. این دستاورد می‌تواند نسل تازه‌ای از ساعت‌های بسیار دقیق را به وجود آورد و ابزار جدیدی برای آزمایش بنیادی‌ترین نظریه‌های فیزیک در اختیار پژوهشگران بگذارد.
دو گروه پژوهشی از دانشگاه تسینگ‌هوا و دیگر مؤسسات چین و دانشگاه فنی وین (TU Wien) اتریش، نتایج تحقیقات خود را به‌طور مستقل در دو مقاله در مجله نیچر منتشر کرده‌اند.
ساعت هسته‌ای چه تفاوتی با ساعت اتمی دارد؟
ساعت‌های اتمی از دقیق‌ترین ابزارهای ساخته‌شده برای اندازه‌گیری زمان هستند. نخستین نمونه آن‌ها در سال ۱۹۴۹ ساخته شد و برخلاف چیزی که ممکن است از نامشان برداشت شود، هیچ ارتباطی با شکافت یا همجوشی هسته‌ای ندارند.
ساعت‌های اتمی معمولی زمان را با اندازه‌گیری تغییر وضعیت الکترون‌ها در اتم‌ها دنبال می‌کنند. الکترون‌ها می‌توانند میان سطوح انرژی مختلف جابه‌جا شوند و این تغییرات، مرجعی بسیار پایدار برای اندازه‌گیری زمان فراهم می‌کنند.
اما ساعت هسته‌ای رویکرد متفاوتی دارد. در این فناوری، مرجع اندازه‌گیری زمان از خود هسته اتم می‌آید؛ جایی که پروتون‌ها و نوترون‌ها قرار دارند.
هسته اتم در مقایسه با بخش‌های بیرونی اتم، ساختاری بسیار فشرده‌تر دارد. به همین دلیل، استفاده از آن به‌عنوان مرجع زمانی می‌تواند در آینده به ساخت ساعت‌هایی کوچک‌تر، مقاوم‌تر و دقیق‌تر منجر شود؛ هرچند این مزایا هنوز به‌طور کامل در یک فناوری کاربردی به اثبات نرسیده‌اند.
توریم-۲۲۹ کلید ساخت ساعت هسته‌ای بود
دانشمندان برای ساخت این ساعت‌ها از ایزوتوپ توریم-۲۲۹ استفاده کردند؛ هسته‌ای کمیاب که ویژگی منحصربه‌فردی دارد.
توریم-۲۲۹ تنها هسته شناخته‌شده‌ای است که می‌توان آن را با نور فرابنفش لیزر بین دو حالت انرژی مختلف جابه‌جا کرد. همین ویژگی، آن را به گزینه‌ای مناسب برای ساخت ساعت هسته‌ای تبدیل کرده است.
پژوهشگران لیزری ساختند که نور فرابنفش با طول موج ۱۴۸٫۴ نانومتر تولید می‌کند. سپس این نور را به بلورهای کوچک فلورید کلسیم تاباندند که حاوی توریم-۲۲۹ بودند.
هدف این بود که لیزر بتواند تغییر وضعیت هسته توریم را تحریک و سپس آن را به‌عنوان یک مرجع پایدار برای اندازه‌گیری زمان دنبال کند.
نخستین آزمایش نشان داد ساعت واقعا کار می‌کند
مهم‌ترین دستاورد آزمایش این بود که ساعت هسته‌ای توانست کار کند. پژوهشگران لیزر را با تغییر وضعیت هسته توریم-۲۲۹ هماهنگ کردند و توانستند زمان‌سنجی بسیار پایدار به دست آورند. دقت ثبت‌شده در طول دوره آزمایش حدود یک بخش در یک کوادریلیون یا ۱۰ به توان منفی ۱۵ بود.
این عدد به‌تنهایی به معنای آماده بودن ساعت هسته‌ای برای جایگزینی ساعت‌های اتمی موجود نیست. فناوری هنوز در مراحل اولیه قرار دارد و پژوهشگران باید پایداری، دقت و عملکرد آن را در شرایط مختلف بررسی کنند.
با این حال، همین آزمایش نشان می‌دهد که می‌توان از یک تغییر وضعیت درون هسته اتم به‌عنوان مرجعی برای ساخت ساعت استفاده کرد.
ساعت هسته‌ای چه کاربردهایی می‌تواند داشته باشد؟
اندازه‌گیری بسیار دقیق زمان فقط برای ساخت ساعت‌های بهتر اهمیت ندارد. بسیاری از فناوری‌های مدرن، از سامانه‌های موقعیت‌یابی ماهواره‌ای گرفته تا شبکه‌های مخابراتی، به زمان‌سنجی دقیق وابسته‌اند.
اگر ساعت‌های هسته‌ای در آینده بتوانند به سطح بالاتری از دقت و پایداری برسند، ممکن است در برخی از این سامانه‌ها به اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر کمک کنند.
اما اهمیت این فناوری فقط به کاربردهای روزمره محدود نمی‌شود. پژوهشگران می‌توانند از ساعت هسته‌ای برای مطالعه پرسش‌های بنیادی فیزیک نیز استفاده کنند.
اندازه‌گیری بسیار دقیق تغییرات انرژی هسته توریم-۲۲۹ می‌تواند امکان جست‌وجوی تغییرات بسیار کوچک در قوانین فیزیک و ثابت‌های بنیادی طبیعت را فراهم کند؛ موضوعی که می‌تواند به آزمودن نظریه‌های فیزیکی در دقتی بی‌سابقه کمک کند.
با وجود این، پژوهش منتشرشده هنوز کاربرد مشخص و قطعی دیگری برای این فناوری تعیین نکرده است و بسیاری از ظرفیت‌های ساعت هسته‌ای همچنان در مرحله پژوهش قرار دارند.