Jam Nuklear Torium Berfungsi Pertama Menjadikan Nukleus Atom sebagai Penentu Masa

Penentu masa nuklear beroperasi lebih daripada sehari

Sebuah prototaip di Vienna berjaya mengekalkan penyegerakan lasernya dengan nukleus torium selama lebih 24 jam tanpa campur tangan, manakala pasukan bebas di Beijing menunjukkan jam serupa menggunakan laser ultraungu yang lebih kuat dan hanya 1.4 mikrogram torium 229 untuk menumbuhkan salah satu kristalnya. Kedua-dua hasil itu, yang diterbitkan dalam Nature pada 7 Oktober 2026, membawa jam nuklear daripada pengukuran nukleus atom yang berpotensi kepada peranti yang boleh mengawal detikannya sendiri.

Kerjasama Eropah yang diketuai Thorsten Schumm dari TU Wien dan Ekkehard Peik dari institut metrologi kebangsaan Jerman, PTB, mencapai ketidakstabilan frekuensi menghampiri satu bahagian dalam satu kuadrilion selepas purata selama sehari. Kerjasama China yang diketuai Shiqian Ding dari Universiti Tsinghua melaporkan pekali ketidakstabilan yang lebih kecil, menunjukkan kestabilan kira-kira enam kali lebih baik berdasarkan hubungan purata yang dilaporkan.

Tiada satu pun prototaip itu mengatasi jam atom optik terbaik. Sebaliknya, kejayaannya ialah peralihan nuklear kini membekalkan maklum balas yang diperlukan untuk mengawal jam yang berfungsi. Pasukan Vienna sudah menggunakan keupayaan itu untuk mencari jirim gelap ultraringan. Mereka tidak menemui isyarat, tetapi menetapkan had terhadap beberapa interaksi yang dicadangkan.

Dalam pengumuman jam nuklear, TU Wien menghuraikan sistem yang membetulkan frekuensi lasernya secara automatik apabila tindak balas nukleus torium berubah. Schumm, profesor di Institut Fizik Atom dan Subatom universiti itu, menjelaskan matlamat utamanya:

Apa yang sebenarnya anda inginkan ialah jam nuklear yang menstabilkan dirinya sendiri.

Perbezaan ini membezakan demonstrasi tersebut daripada eksperimen terdahulu yang merangsang nukleus torium atau mengukur frekuensi peralihannya sambil bergantung pada jam luaran untuk menstabilkan cahaya.

Apakah keistimewaan torium 229?

Jam atom optik menggunakan peralihan antara aras tenaga elektron sebagai rujukan frekuensi. Jam nuklear memindahkan rujukan itu ke dalam nukleus, tempat proton dan neutron boleh berada dalam keadaan kuantum yang berbeza. Dalam kedua-dua kes, ayunan cahaya yang sekata menghasilkan detikan, manakala peralihan yang dipilih memastikan laser berada pada frekuensi yang betul.

Kebanyakan peralihan nuklear memerlukan tenaga yang jauh lebih tinggi daripada yang boleh dibekalkan oleh laser konvensional. Torium 229 ialah satu-satunya nukleus yang diketahui mempunyai peralihan yang boleh dicapai secara langsung menggunakan teknologi laser semasa. Keadaan teruja luar biasanya yang rendah, dipanggil isomer, terletak kira-kira 8.4 elektron volt di atas keadaan dasar. Tenaga itu sepadan dengan cahaya ultraungu berhampiran 148 nanometer.

Cahaya ini berada dalam julat ultraungu vakum, yang sukar dihasilkan dan dikendalikan. Menghasilkan frekuensi laser yang cukup stabil dan sempit pada panjang gelombang itu merupakan antara cabaran kejuruteraan utama yang dihadapi kedua-dua pasukan.

Istilah nuklear tidak bermaksud jam itu beroperasi menggunakan reaktor, pembelahan atau pelakuran. Torium 229 bersifat radioaktif, tetapi pereputannya bukan mekanisme detikan. Jam itu menggunakan cahaya laser untuk menyelidik peralihan di dalam nukleusnya.

Nukleus berukuran lebih daripada 10,000 kali lebih kecil daripada atom dan sebahagiannya terlindung oleh elektron di sekelilingnya. Secara umum, nukleus kurang bertindak balas terhadap gangguan elektrik dan magnet luaran, sekali gus menawarkan laluan kepada rujukan frekuensi yang lebih stabil. Eksperimen semasa juga menunjukkan bahawa memasukkan nukleus ke dalam kristal tidak menghapuskan semua kesan persekitaran.

Bagaimana kristal membetulkan laser

Kedua-dua pasukan memasukkan torium 229 ke dalam kristal kalsium fluorida dan menyinarinya dengan cahaya laser berterusan berhampiran 148.4 nanometer. Apabila cahaya sepadan dengan peralihan nuklear yang dipilih, nukleus menyerapnya. Pengesan mengukur cahaya yang menembusi kristal, membolehkan penyelidik menentukan sama ada laser telah tersasar daripada resonans.

Gelung maklum balas elektronik kemudian mengubah frekuensi laser untuk mengembalikannya ke kedudukan yang betul. Nukleus bukan lagi sekadar objek yang diukur. Tindak balasnya mengawal pengayun yang menghasilkan isyarat jam.

Makalah jam Vienna pasukan Eropah yang diketuai Luca Toscani de Col menghuraikan maklum balas pantas berdasarkan spektroskopi penyerapan dalam kristal berukuran hanya beberapa milimeter, yang beroperasi pada suhu bilik. Rongga optik berasingan memberikan kestabilan dalam tempoh singkat, manakala peralihan nuklear membetulkan hanyutan jangka panjang.

Penyerapan amat penting kerana menunggu nukleus teruja memancarkan cahaya boleh mengambil masa yang lama. Makalah Vienna melaporkan bahawa penyerapan menghasilkan kira-kira 1,000 kali lebih banyak foton isyarat sesaat berbanding pengesanan pendarfluor. Ini membolehkan pembetulan dibuat dalam tempoh lebih singkat daripada jangka hayat keadaan teruja dan membolehkan pencarian perubahan pada peralihan itu dilakukan dengan lebih pantas.

Dua makmal, pilihan kejuruteraan berbeza

Kerjasama Eropah melibatkan penyelidik dari Jerman, Austria dan Czechia. Usaha di Beijing melibatkan Universiti Tsinghua, Akademi Sains Maklumat Kuantum Beijing dan rakan kerjasama di seluruh China. Beichen Huang mengetuai senarai penulis kajian China itu.

Vienna menggunakan kristal dengan kepekatan torium yang lebih tinggi, manakala Beijing mengimbangi bekalan isotop yang terhad dengan kuasa laser yang jauh lebih besar. Pendekatan berbeza itu menangani masalah yang sama: mendapatkan isyarat penyerapan berguna yang mencukupi untuk menentukan sejauh mana laser tersasar daripada resonans nuklear.

Makalah jam Tsinghua pasukan China itu menghuraikan sumber yang menghasilkan 10 mikrowatt cahaya ultraungu melalui proses gabungan medan laser dalam wap kadmium. Kira-kira 5 mikrowatt sampai ke permukaan hadapan kristal. Alat Eropah menggunakan kaedah penukaran tak linear berbeza yang melibatkan kristal strontium tetraborat.

Kristal kalsium fluorida Beijing yang dipertingkatkan itu ditumbuhkan daripada larutan yang mengandungi hanya 1.4 mikrogram torium 229, dengan aktiviti 10 kilobekuerel. Aktiviti mengukur pereputan radioaktif, bukan detikan jam. Makalah itu menyebut kekurangan isotop sebagai faktor yang hampir tidak memberi ruang untuk percubaan berulang bagi mengoptimumkan pertumbuhan kristal.

Shiqian Ding, ahli fizik di Universiti Tsinghua, berkata demonstrasi bebas itu mengukuhkan keyakinan bahawa konsep jam tersebut berfungsi merentas reka bentuk teknikal yang berbeza:

beroperasi secara bebas dan berjaya menghasilkan jam nuklear torium-229 yang berfungsi pada masa yang sama, menggunakan pendekatan eksperimen yang berbeza. Saya berpendapat hal ini amat menggalakkan kerana ia menunjukkan konsep ini teguh dan tidak bergantung pada satu pelaksanaan teknikal tertentu.

Kedua-dua kumpulan berhasrat menambah baik sistem masing-masing dan menggabungkan pengajaran daripada kedua-dua pendekatan. Lebih banyak nukleus dan lebih banyak cahaya ultraungu yang boleh digunakan berpotensi menghasilkan isyarat lebih kuat jika digabungkan berbanding setiap kelebihan itu digunakan secara berasingan.

Sejauh manakah ketepatan prototaip ini?

Makalah Vienna melaporkan ketidakstabilan frekuensi pecahan sebanyak 3 × 10^-12 dibahagikan dengan punca kuasa dua tempoh purata dalam saat. Makalah China melaporkan 5 × 10^-13 menggunakan skala yang sama. Pembahagian pekali itu menghasilkan angka enam, yang menjadi asas perbandingan antara kedua-dua jam.

Ketidakstabilan frekuensi menerangkan sejauh mana kadar jam berubah-ubah semasa pengukuran. Pemurataan boleh mengurangkan turun naik rawak. Ketepatan pula menjawab soalan yang berbeza: sejauh mana frekuensi yang diukur sepadan dengan nilai sebenar selepas mengambil kira bias. Kebolehulangan menilai sama ada ujian lain, atau kristal lain, memberikan hasil yang sama.

Dolores del Campo Maldonado, pengarah Bahagian Magnitud Mekanikal dan Kejuruteraan di Pusat Metrologi Sepanyol, mengenal pasti kestabilan jam China yang lebih baik dalam tempoh singkat dan perbandingan eksperimen Austria dengan jam iterbium sebagai kelebihan yang berbeza. Tiada satu pun dapatan itu membuktikan keunggulan berbanding jam atom terbaik dalam semua ukuran.

Laporan berbeza dalam penukaran ukuran kepada ralat masa terkumpul. TU Wien menganggarkan kira-kira satu saat dalam 30 juta tahun bagi prototaip Vienna, berdasarkan ketepatan hampir 10^-15. Satu lagi laporan menyebut kira-kira satu saat dalam 3 juta tahun bagi jam Eropah dan 19 juta tahun bagi peranti China. Huraian terdahulu tentang hasil China meletakkan ketidakstabilannya hampir satu bahagian dalam 10 trilion selepas sehari, manakala makalah akhir melaporkan pemurataan hingga tahap 10^-15 sepanjang selang yang diukur.

Angka-angka ini tidak wajar dianggap sebagai jaminan ketepatan mutlak yang boleh saling ditukar ganti. Perbandingan paling selamat menggunakan ukuran ketidakstabilan yang diterbitkan serta syarat pemurataannya. Jam atom optik semasa masih lebih baik, dengan prestasi yang dilaporkan bersamaan satu saat dalam puluhan bilion tahun, termasuk contoh iterbium selama 23 bilion tahun.

Kristal masih mempengaruhi hasil

Kajian Vienna mendapati frekuensi yang diukur pada hari berbeza hanya boleh diulang dengan ketepatan kira-kira 5 × 10^-13, lebih buruk daripada ketidakstabilan yang dicapai sepanjang ujian berterusan. Sebelum setiap ujian, laser perlu dilaraskan semula, menyebabkan pancarannya melalui bahagian kristal yang sedikit berbeza.

Pengukuran di kedudukan berbeza mendedahkan anjakan sehingga 1.7 kilohertz pada frekuensi tengah peralihan itu. Para penyelidik mengesyaki hal ini berpunca daripada tegasan setempat akibat struktur kristal yang tidak sekata. Pengulangan pengukuran di kedudukan yang sama menghasilkan keputusan yang boleh diulang, sekali gus menyokong keperluan mengawal laluan laser melalui bahan tersebut.

Pasukan Beijing menguji dua kristal yang dihasilkan secara berasingan. Frekuensi peralihan yang diukur berbeza kira-kira 560 hertz, bersamaan perbezaan pecahan 2.8 × 10^-13, dengan ketidakpastian 0.6 × 10^-13. Dalam had ketidakpastian gabungan, kedua-duanya juga selaras dengan ukuran terdahulu pada kristal kalsium fluorida lain di JILA, Amerika Syarikat.

Alat Beijing mengawal turun naik suhu dan menggunakan perisai magnet. Kristal yang dipertingkatkan itu memancarkan 7% cahaya ultraungu, berbanding kira-kira 1% bagi kristal terdahulu. Bersama perubahan pada pengesan dan isyarat penyerapan yang lebih kuat, penambahbaikan itu banyak mengurangkan hingar pengukuran.

Akio Kawasaki dari Institut Metrologi Kebangsaan Jepun mengenal pasti medan elektrik luaran sebagai punca utama ketidakpastian jam. Peralihan nuklear menawarkan perlindungan daripada gangguan sedemikian, tetapi hasil prototaip menunjukkan mengapa kualiti bahan, kawalan suhu dan penilaian teliti terhadap anjakan frekuensi masih diperlukan.

Pencarian jirim gelap tanpa pengesanan

Pasukan Vienna membandingkan jam nuklearnya dengan jam ion iterbium di Pejabat Persekutuan Metrologi dan Ukur Austria menggunakan sambungan gentian optik yang distabilkan. Eksperimen itu mencari perubahan berkala dan hanyutan perlahan dalam nisbah frekuensi kedua-dua jam selama kira-kira 23 jam, dengan menyelidik skala masa daripada 20 saat hingga kira-kira sehari.

Sesetengah teori meramalkan bahawa jirim gelap ultraringan boleh menyebabkan ayunan kecil dalam pemalar asas. Peralihan nuklear dan elektronik akan bertindak balas secara berbeza, menjadikan perbandingan antara kedua-dua jam sebagai ujian yang berguna. Tiada isyarat berkala yang signifikan secara statistik dikesan, dan hanyutan perlahan yang diukur selaras dengan sifar.

Ketiadaan isyarat membolehkan pasukan itu mengehadkan kemungkinan interaksi dengan foton, daya nuklear kuat dan jisim kuark. Had bagi foton menyaingi had yang diperoleh daripada jam atom sebanding terkemuka. Bagi interaksi daya kuat dan kuark tertentu, makalah itu melaporkan kepekaan yang menjangkau 10 hingga 1,000 kali lebih jauh dalam julat parameter yang diuji berbanding eksperimen jam atom terdahulu.

Kelebihan torium berpunca daripada imbangan tenaganya yang luar biasa. Sumbangan elektromagnet dan nuklear yang jauh lebih besar hampir saling menghapuskan, lalu meninggalkan peralihan kecil 8.4 elektron volt itu. Oleh itu, perubahan kecil pada sumbangan tersebut boleh menghasilkan perubahan yang agak besar pada frekuensi jam.

José R. Crespo López-Urrutia, penyelidik di Institut Max Planck bagi Fizik Nuklear di Heidelberg, menganggarkan kepekaan terhadap kesan jirim gelap hipotesis tertentu hampir 10,000 kali ganda berbanding jam atom optik terbaik. Angka itu merujuk kepada potensi tindak balas terhadap kesan terpilih, bukannya peningkatan sejagat dalam ketepatan masa atau pengesanan jirim gelap. Beliau mendedahkan bahawa pernah bekerjasama dengan beberapa kumpulan penulis, tetapi tidak terlibat secara langsung dalam kajian ini.

Makalah Vienna turut memberi amaran bahawa faktor kepekaan yang tepat belum dapat dikira kerana beberapa parameter nuklear masih belum diketahui. Dapatan itu mengehadkan model dan interaksi tertentu, bukannya semua kemungkinan bentuk jirim gelap.

Pencapaian sebelum jam berfungsi

Hasil terkini ini menyusuli usaha bertahun-tahun untuk mengesahkan kewujudan keadaan teruja itu, menentukan tenaganya dan membangunkan laser yang sesuai. Schumm berkata pasukannya telah berusaha menghasilkan jam nuklear sejak 2008. Peik dan Christian Tamm mencadangkan pendekatan jam torium pada 2003.

• 2016: Menurut catatan sejarah dalam makalah Vienna, penyelidik menunjukkan kewujudan isomer torium melalui proses pereputannya.
• 12 September 2019: TU Wien menghuraikan dua eksperimen yang memperhalus pengetahuan tentang peralihan itu, sebelum jam berfungsi diwujudkan.
• April 2024: Kerjasama TU Wien dan PTB memacu peralihan nuklear torium secara langsung menggunakan cahaya laser.
• Musim luruh 2024: Penyelidik menghubungkan alat rangsangan torium dengan jam atom optik konvensional.
• 2025: Sumber laser ultraungu berterusan dan pengukuran penyerapan membolehkan peralihan itu diselidik secara berterusan.
• 7 Oktober 2026: Dua kajian Nature melaporkan jam nuklear berfungsi dengan maklum balas.

Pengumuman pencapaian 2019 TU Wien memperincikan pengukuran tidak langsung menggunakan ion torium yang terhasil daripada pereputan uranium 233. Kira-kira 2% daripadanya berada dalam keadaan teruja. Ion itu dilalukan melalui grafena untuk meneutralkannya, manakala tenaga elektron yang kemudiannya dipancarkan membantu menentukan tenaga keadaan nuklear tersebut.

Satu eksperimen berasingan di Jepun menggunakan sinar-X sinkrotron berintensiti tinggi untuk mengisi keadaan nuklear yang jauh lebih tinggi, yang kemudiannya mereput terutamanya menjadi isomer yang dikehendaki. Ini ialah langkah untuk menentukan kedudukan dan mengukur peralihan itu, bukannya demonstrasi jam berfungsi.

Tinjauan akademik quantA mengiktiraf kumpulan Schumm kerana menentukan tenaga peralihan itu hingga 12 tempat perpuluhan dan membangunkan rangsangan ultraungu melalui penjanaan harmonik tinggi. Tinjauan itu menyifatkan pembinaan prototaip sebagai fasa kejuruteraan dalam Kluster Kecemerlangan quantA dan Projek Sinergi ERC. Demonstrasi maklum balas baharu ini membawa kemajuan melangkaui peringkat terdahulu itu.

Apakah yang perlu dipertingkat sebelum penggunaan praktikal?

Keutamaan segera termasuk laser yang lebih kuat dan stabil, pengesan yang lebih baik serta kristal yang lebih tulen dan seragam. Vienna perlu meningkatkan kebolehulangan antara ujian. Beijing sedang mengkaji bahan hos yang lebih baik dan kemungkinan menghasilkan jam ion torium, yang akan mengasingkan nukleus dengan lebih menyeluruh tetapi lebih sukar dibina dari segi teknikal.

Laporan turut menyatakan lebar resonans yang berbeza. Peik menyebut lebar terukur 30 kilohertz, manakala makalah Vienna menggunakan kira-kira 100 kilohertz dalam analisis prestasi jamnya. Makalah China melaporkan 27 kilohertz bagi peralihan terpilih dalam kristal yang dipertingkatkan. Ukuran ini tidak wajar disatukan menjadi satu angka lebar. Semuanya jauh lebih besar daripada resonans nuklear semula jadi yang dijangka, menunjukkan masih ada ruang untuk penambahbaikan.

Penggunaan berpotensi termasuk navigasi satelit, telekomunikasi, pemindahan data terselaras dan ukur tanah. Kenyataan aplikasi 2024 TU Wien turut menyebut pengukuran medan graviti Bumi melalui perubahan kadar jam akibat graviti, dengan kemungkinan kegunaan dalam pencarian mineral dan kajian tektonik plat. Rujukannya kepada ramalan gempa bumi ialah aplikasi yang berpotensi, bukannya keupayaan yang sudah dibuktikan.

Daniel de Mercado, ahli fizik di Pusat Metrologi Sepanyol, menjelaskan bahawa pengukuran peralihan yang tepat boleh menguji sama ada nilai yang diperhatikan berbeza daripada ramalan teori. Perbezaan sedemikian mungkin menunjukkan kewujudan interaksi yang belum diketahui. Bagi prototaip semasa, peranan penyelidikan itu lebih segera berbanding menggantikan jam dalam infrastruktur harian.

Del Campo menganggap ketepatan melebihi 10^-19 sebagai potensi kelebihan pada masa hadapan, tetapi meragui jam nuklear akan bersedia mempengaruhi kemungkinan pentakrifan semula saat pada 2030. Tiada tarikh penggunaan yang disahkan atau penggantian standard masa sedia ada yang dijadualkan berkaitan dengan demonstrasi ini. Tugas seterusnya ialah membuktikan bahawa peranti yang dipertingkatkan dapat menggabungkan ketidakstabilan rendah, frekuensi yang boleh diulang dan ketepatan yang difahami dengan baik.

Perkara Utama

• Pasukan Eropah dan China yang bekerja secara bebas melaporkan jam nuklear torium berfungsi dalam Nature pada 7 Oktober 2026.
• Kedua-dua jam menggunakan penyerapan ultraungu dalam kristal kalsium fluorida yang mengandungi torium untuk membetulkan frekuensi laser masing-masing.
• Prototaip Vienna beroperasi lebih daripada 24 jam tanpa campur tangan.
• Pekali ketidakstabilan yang dilaporkan bagi jam China enam kali lebih kecil daripada jam Eropah.
• Tiada satu pun prototaip setakat ini mengatasi jam atom optik terbaik.
• Pencarian jirim gelap di Vienna tidak menemui isyarat, tetapi mengehadkan interaksi teori terpilih.
• Keseragaman kristal, kuasa laser dan kebolehulangan kekal sebagai cabaran utama sebelum penggunaan praktikal.