Μια νέα σελίδα γράφεται στην ιστορία της επιστήμης, καθώς ερευνητές από το ινστιτούτο JILA (ένα κοινό ινστιτούτο του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας – NIST και του Πανεπιστημίου του Κολοράντο) πέτυχαν ένα ορόσημο που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν απλώς θεωρητικό: την κατασκευή και επίδειξη του πρώτου πρωτοτύπου πυρηνικού ρολογιού.
Η συγκεκριμένη εξέλιξη, η οποία βασίζεται στον έλεγχο του ισότοπου Θόριο-229 (Thorium-229) με τη χρήση laser, υπόσχεται να ξεπεράσει σε ακρίβεια τα σημερινά ατομικά ρολόγια, φέρνοντας επανάσταση όχι μόνο στη μέτρηση του χρόνου αλλά και στην κατανόηση θεμελιωδών φυσικών φαινομένων.
Εδώ και δεκαετίες η ανθρωπότητα βασίζεται στα ατομικά ρολόγια για την ακριβή μέτρηση του χρόνου. Αυτές οι συσκευές λειτουργούν μετρώντας τις ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων καθώς αυτά μεταβαίνουν από τη μία ενεργειακή στάθμη στην άλλη, γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου (συνήθως καισίου ή στροντίου). Αν και εξαιρετικά ακριβή, τα ατομικά ρολόγια έχουν ένα εγγενές μειονέκτημα: τα ηλεκτρόνια είναι εκτεθειμένα και ευαίσθητα σε εξωτερικές παρεμβολές, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, γεγονός που μπορεί να αλλοιώσει ελαφρώς τη συχνότητά τους.
Εδώ έρχεται να δώσει τη λύση το πυρηνικό ρολόι. Αντί να βασίζεται στα ηλεκτρόνια, εστιάζει στον ίδιο τον πυρήνα του ατόμου. Ο πυρήνας είναι πολύ μικρότερος και συγκρατείται από ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις, ενώ προστατεύεται από το «κέλυφος» των ηλεκτρονίων. Αυτό τον καθιστά σχεδόν άτρωτο απέναντι σε εξωτερικούς θορύβους και περιβαλλοντικές διαταραχές. Η σταθερότητα αυτή μεταφράζεται σε μια δυνητική ακρίβεια που θα μπορούσε να ξεπεράσει τα σημερινά πρότυπα κατά πολλές τάξεις μεγέθους.
Η δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού αποτελούσε πρόκληση διότι, στους περισσότερους πυρήνες, η ενέργεια που απαιτείται για να προκληθεί μια μετάβαση (το «τικ» του ρολογιού) είναι τεράστια και απαιτεί ακτίνες Χ, οι οποίες δεν μπορούν να παραχθούν εύκολα από τα σημερινά laser υψηλής ακρίβειας.
Το Θόριο-229 αποτελεί τη μοναδική εξαίρεση στη φύση. Διαθέτει μια πυρηνική κατάσταση τόσο χαμηλής ενέργειας που μπορεί να διεγερθεί με υπεριώδες φως (VUV), το οποίο είναι τεχνολογικά προσβάσιμο. Οι επιστήμονες του JILA, σε συνεργασία με ερευνητές από τη Βιέννη (TU Wien), κατάφεραν να ενσωματώσουν άτομα Θορίου-229 μέσα σε έναν κρύσταλλο και να συντονίσουν ένα ειδικά σχεδιασμένο λέιζερ με την πυρηνική συχνότητα του ισότοπου.
Στο πείραμα που περιγράφεται, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύστημα που συνδυάζει τρία κρίσιμα στοιχεία:
Τον Κρύσταλλο: Το Θόριο-229 ενσωματώθηκε σε στερεά μορφή κρυστάλλου, κάτι που επιτρέπει την ύπαρξη τρισεκατομμυρίων πυρήνων σε ελάχιστο χώρο, ενισχύοντας το σήμα.Το Λέιζερ VUV: Ένα εξειδικευμένο λέιζερ κενού-υπεριώδους ακτινοβολίας που διεγείρει τους πυρήνες.Τη «Χτένα» Συχνοτήτων (Frequency Comb): Ένα εργαλείο υψηλής ακρίβειας που μετρά τους παλμούς του φωτός και λειτουργεί ως ο «μεταφραστής» που μετατρέπει τις ταχύτατες πυρηνικές ταλαντώσεις σε μετρήσιμο χρόνο.
Με αυτόν τον εξοπλισμό, πέτυχαν τον άμεσο συγχρονισμό του λέιζερ με την πυρηνική μετάβαση, δημιουργώντας ουσιαστικά τον «παλμό» του πρώτου πυρηνικού ρολογιού.
Η σημασία αυτής της ανακάλυψης εκτείνεται πολύ πέρα από το να γνωρίζουμε απλώς την ώρα με μεγαλύτερη ακρίβεια. Ένα λειτουργικό πυρηνικό ρολόι θα μπορούσε να βελτιώσει δραματικά τα συστήματα πλοήγησης (GPS) και τις τηλεπικοινωνίες, προσφέροντας ανάλυση εκατοστών ή και χιλιοστών στον γεωεντοπισμό.
Ωστόσο, το μεγαλύτερο ενδιαφέρον εντοπίζεται στη θεμελιώδη φυσική. Λόγω της ακραίας ευαισθησίας του, ένα πυρηνικό ρολόι θα λειτουργεί ως ένας υπερ-αισθητήρας για τη δομή του Σύμπαντος. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι θα μπορέσουν να το χρησιμοποιήσουν για να ανιχνεύσουν τη Σκοτεινή Ύλη ή να ελέγξουν αν οι θεμελιώδεις σταθερές της φύσης (όπως η σταθερά λεπτής υφής) παραμένουν αμετάβλητες στο πέρασμα του χρόνου. Οποιαδήποτε μικροσκοπική απόκλιση σε αυτές τις μετρήσεις θα μπορούσε να αποκαλύψει μια «νέα φυσική» πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model).