השעון הגרעיני כבר מתקתק: מעבדות בווינה ובבייג'ינג הפעילו לראשונה שעון שמבוסס על גרעין האטום
כבר יותר מ-70 שנה, הזמן בעולם נמדד בעזרת אלקטרונים. שעוני אטום סופרים את התנודות של האלקטרונים סביב גרעין האטום, ועל המדידה הזו נשענים הניווט בלוויין, רשתות התקשורת, רשתות החשמל והמסחר האלקטרוני. עכשיו שתי מעבדות הראו שאפשר לרדת קומה אחת פנימה, אל הגרעין עצמו. צוות מווינה וצוות מבייג'ינג הפעילו, כל אחד בנפרד, את השעונים הגרעיניים הראשונים שעובדים כמו שעון אמיתי. שני המאמרים פורסמו באותו יום בכתב העת Nature.
החלוקה ברורה. בווינה עבדה קבוצה מהאוניברסיטה הטכנית של וינה בהובלת פרופ' תורסטן שום, יחד עם צוות של פרופ' אקהרד פייק מהמכון הלאומי למטרולוגיה של גרמניה בבראונשווייג. בסין עבד צוות מאוניברסיטת צינגחואה בהובלת שי-צ'יאן דינג, יחד עם חוקרים ממכונים של האקדמיה הסינית למדעים. שני השעונים בנויים על אותו רעיון ועל אותו חומר, אבל הדרכים שונות, וגם התוצאות.
למה דווקא גרעין, ולמה דווקא תוריום
כל שעון זקוק למשהו שמתנדנד בקצב קבוע. בשעון מטוטלת זו המטוטלת, בשעון יד זה גביש קוורץ, ובשעון אטומי זו "קפיצה" של אלקטרון בין שתי רמות אנרגיה. תנודה מהירה ויציבה יותר נותנת שעון מדויק יותר. הבעיה של האלקטרונים היא שהם רגישים לסביבה: שדות חשמליים ומגנטיים, חום ורעידות מזיזים אותם מעט, ולכן שעוני האטום המתקדמים דורשים תנאי בידוד קיצוניים.
הגרעין קטן מהאטום פי יותר מ-10,000, והוא מוגן היטב מהעולם שבחוץ. הבעיה היא שהקפיצות בתוך גרעינים דורשות בדרך כלל אנרגיה עצומה, הרבה מעבר למה שלייזר יכול לספק. גרעין התוריום-229 הוא חריג נדיר: יש לו מצב מעורר שנמצא קרוב מאוד למצב הבסיס, בפער של כ-8.4 אלקטרון-וולט. את הפער הזה אפשר לגשר עם אור לייזר בתחום האולטרה-סגול העמוק, באורך גל של כ-148 ננומטר.
את הרעיון לבנות שעון על התוריום הציעו פייק ועמיתו כריסטיאן טאם עוד ב-2003, אבל הדרך הייתה ארוכה. החוקרים צמצמו בהדרגה את הטווח שבו מסתתרת הקפיצה, וההוכחה שהמצב המעורר בכלל קיים הגיעה ב-2016. לפני כשנתיים וחצי הצליחו הקבוצות מווינה ומבראונשווייג לעורר את הגרעין בלייזר בפעם הראשונה. את השלב הבא, חיבור למערכת שמתנהגת כמו שעון, השלימו עכשיו.
בשני השעונים הגרעינים לא מרחפים בתוך תא ואקום. הם משובצים בגביש של סידן פלואוריד בגודל של מילימטרים בודדים, שעומד בטמפרטורת החדר. זה אחד היתרונות הגדולים של השיטה: בגביש קטן יש מספר עצום של גרעינים, והאות שלהם חזק בהרבה מזה של אטום בודד שכלוא במלכודת. "הרעיון הבסיסי פשוט: יש לייזר ויש תוריום", הסביר פרופ' שום.
מה בנו בווינה ומה בנו בבייג'ינג
בגרסאות הקודמות, השעון הגרעיני של וינה היה תלוי בשעון אטומי רגיל שכיוון את הלייזר. "מה שבאמת רוצים זה שעון גרעיני שמייצב את עצמו", אמר שום. כדי להגיע לשם החוקרים שינו את שיטת הקריאה. במקום לחכות לאור שהגרעינים פולטים, תהליך שאורך כ-10 דקות בגביש, הם מודדים כמה אור הגרעינים בולעים. כשהלייזר זז מהתדר המדויק, הבליעה יורדת, והמערכת מתקנת את הלייזר בחזרה. לפי המאמר, שיטת הבליעה מייצרת פי אלף יותר פוטונים לשנייה מהשיטה הישנה.
השעון הווינאי פעל ברציפות יותר מיממה, בלי התערבות. החוקרים השוו אותו לשעון אטומי שמבוסס על יון איטרביום, שנמצא במשרד המדידות הלאומי של אוסטריה ומחובר אליו בסיב אופטי. היציבות התקרבה לרמה של 10 בחזקת מינוס 15 אחרי יום של פעולה. בשפה פשוטה, שעון כזה היה מפספס בערך שנייה אחת ב-30 מיליון שנה, אם היה ממשיך לעבוד באותה רמה. "זה עדיין לא ברמה של שעוני האטום האופטיים הטובים בעולם, אבל לאב-טיפוס ראשון זו תוצאה פנטסטית", אמר שום.
הצוות בבייג'ינג פיתח לייזר משלו, שמפיק אור אולטרה-סגול רציף בהספק של כ-10 מיקרו-וואט דרך תהליך אופטי באדי קדמיום. לפי הנתונים בתקצירים, היציבות לטווח קצר של השעון הסיני טובה פי שישה בערך מזו של השעון הווינאי. החוקרים גם בדקו שני גבישים שיוצרו בנפרד, ומצאו שהתדר שנמדד בהם זהה ברמה של 10 בחזקת מינוס 13. התוצאה תאמה גם מדידות קודמות של מעבדה אמריקאית על גבישים אחרים, וזה חשוב: שעון שימושי חייב לתת את אותה תוצאה בכל עותק שלו.
מה עוד חסר, ומה כבר הושג
אף אחד משני השעונים עדיין לא עוקף את שעוני האטום האופטיים המתקדמים, שמגיעים היום לדיוק ברמה של הספרה ה-18 וה-19 אחרי הנקודה העשרונית. להרחבה: שנייה אחת ב-300 מיליארד שנה: השעון מסינגפור שעשוי לשנות את הגדרת הזמן. בווינה גם התגלו הבדלים של עד 1.7 קילוהרץ בתדר בין נקודות שונות באותו גביש. החוקרים חושדים שמדובר במאמצים מכניים בתוך הגביש, אבל זו עדיין השערה, והיא משפיעה על היכולת לחזור על אותה מדידה מיום ליום.
כדי לשפר את הביצועים, הצוותים צריכים לייזרים חזקים יותר וגבישים איכותיים יותר. יש גם מגבלה של חומר גלם: תוריום-229 הוא איזוטופ נדיר, והמחסור בו מגביל את מספר הניסויים שאפשר לעשות. מצד שני, החוקרים בווינה מעריכים שהדור הבא של המכשירים ישפר את היציבות בכמה סדרי גודל.
כבר בשלב הזה השעון הגרעיני הוכיח שהוא כלי מדעי. החוקרים בווינה ניתחו כ-23 שעות של מדידות וחיפשו בהן תנודות זעירות שאולי נגרמות מחומר אפל, החומר הבלתי נראה שלפי ההערכות מרכיב את רוב המסה ביקום. הם לא מצאו סימן כזה, אבל הצליחו לצמצם את טווח האפשרויות. לפי המאמר, בבדיקת הקשר של חומר אפל לכוח הגרעיני החזק, המגבלות שקבעו הולכות רחוק יותר מכל מדידה קודמת. הסיבה היא שהקפיצה בתוריום נוצרת מאיזון עדין בין כוחות חזקים מאוד בתוך הגרעין, ולכן היא רגישה במיוחד לכל שינוי קטן בקבועי הטבע.
למה זה מעניין גם מחוץ למעבדה
שעונים מדויקים הם תשתית שקופה של הכלכלה המודרנית. מערכות ניווט בלוויין מחשבות מיקום לפי ההפרש בזמן שבו מגיעים אותות מכמה לוויינים, ולכן כל שגיאה זעירה בשעון הופכת לשגיאה במטרים על הקרקע. גם רשתות סלולר, רשתות חשמל ובורסות מסנכרנות את המערכות שלהן לזמן אחיד ומדויק. היתרון הפוטנציאלי של השעון הגרעיני הוא לא דווקא דיוק גבוה יותר, אלא שילוב של יציבות, גודל קטן ועמידות: גביש מוצק בטמפרטורת החדר קל יותר להכניס לרכב, ללוויין או לחללית מאשר מלכודת אטומים מורכבת.
החוקרים בסין מזכירים ניווט בלוויין, חקר החלל העמוק וחיישנים קוונטיים חדשים שמבוססים על גרעינים כשימושים אפשריים, ובווינה מדגישים את הבדיקות של חוקי הפיזיקה עצמם. אבל הדרך לשם עוד ארוכה: גם שעוני האטום הראשונים, באמצע שנות ה-50, נראו כמו מכשירי מעבדה מסורבלים, ועברו עשרות שנים עד שנכנסו לכל לוויין ניווט. התחום הקוונטי כולו עובר עכשיו שלב דומה של מעבר מהמעבדה לשוק, ולהרחבה: הקוונטים יוצאים מהמעבדה: הנפקות, תרופות ומענק של 2 מיליארד דולר מוושינגטון.
