หากนักฟิสิกส์สามารถสร้างนาฬิกานิวเคลียร์ได้ นาฬิกานิวเคลียร์บาคาร่าเว็บตรงจะเป็นนาฬิการูปแบบใหม่เอี่ยม นาฬิกาที่จะรักษาเวลาโดยอิงตามฟิสิกส์ของหัวใจของอะตอม นาฬิกาที่แม่นยำที่สุดในปัจจุบัน เรียกว่านาฬิกาอะตอม อาศัยพฤติกรรมของอิเล็กตรอนของอะตอม นักวิจัยคาดการณ์ว่านาฬิกาที่มีนิวเคลียสของอะตอมจะมีความแม่นยำมากกว่านาฬิกาอะตอมถึง 10 เท่า
นาฬิกาที่ดีขึ้นสามารถปรับปรุงเทคโนโลยีที่ขึ้นอยู่กับพวกเขาเช่น
การนำทางด้วย GPSนักฟิสิกส์ Peter Thirolf กล่าวเมื่อวันที่ 3 มิถุนายนระหว่างการประชุมออนไลน์ของ American Physical Society Division of Atomic, Molecular และ Optical Physics แต่ “ไม่ใช่แค่การจับเวลาเท่านั้น” นิวเคลียสของอะตอมอยู่ภายใต้แรงนิวเคลียร์อย่างแรง ซึ่งต่างจากอิเล็กตรอนของอะตอม ซึ่งยึดโปรตอนและนิวตรอนไว้ด้วยกัน “นาฬิกานิวเคลียร์มองเห็นส่วนต่างๆ ของโลก” Thirolf จาก Ludwig-Maximilians-Universität München ในเยอรมนีกล่าว นั่นหมายความว่า นาฬิกานิวเคลียร์สามารถทำให้เกิดการทดสอบใหม่ๆ เกี่ยวกับแนวคิดพื้นฐานในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งรวมถึงว่าตัวเลขที่ไม่เปลี่ยนรูปตามที่คาดคะเนในฟิสิกส์ที่เรียกว่าค่าคงที่พื้นฐานนั้น แท้จริงแล้ว เป็นค่าคงที่หรือไม่
นาฬิกาอะตอมนับเวลาโดยใช้พลังงานกระโดดของอิเล็กตรอนของอะตอม ตามควอนตัมฟิสิกส์ อิเล็กตรอนในอะตอมสามารถบรรทุกพลังงานได้ในปริมาณที่กำหนดเท่านั้น ในระดับพลังงานที่เฉพาะเจาะจง ในการชนอิเล็กตรอนในอะตอมจากระดับพลังงานหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง อะตอมของนาฬิกาอะตอมจะต้องถูกกระทบด้วยแสงเลเซอร์ที่มีความถี่ที่เหมาะสม ความถี่นั้น — อัตราการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแสง — ทำหน้าที่เป็นตัวจับเวลาที่แม่นยำสูง
เช่นเดียวกับอิเล็กตรอนในอะตอม โปรตอนและนิวตรอนภายในนิวเคลียส
ของอะตอมก็มีระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องเช่นกัน นาฬิกานิวเคลียร์จะขึ้นอยู่กับการกระโดดระหว่างระดับพลังงานนิวเคลียร์เหล่านั้น แทนที่จะเป็นอิเล็กตรอน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นิวเคลียสสามารถต้านทานผลกระทบของสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กที่หลงทางซึ่งสามารถขัดขวางนาฬิกาอะตอมได้ ผลก็คือ นาฬิกานิวเคลียร์ “จะมีเสถียรภาพและแม่นยำยิ่งขึ้น” Adriana Pálffy นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจาก Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ในเยอรมนีกล่าว
แต่มีปัญหา ในการนับเวลากับนิวเคลียส นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องสามารถเริ่มต้นการกระโดดระหว่างระดับพลังงานนิวเคลียร์ด้วยเลเซอร์ได้ นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Marianna Safronova จากมหาวิทยาลัยเดลาแวร์กล่าวในการพูดคุยในวันที่ 2 มิถุนายนในที่ประชุมว่า “ระดับนิวเคลียร์ปกติไม่สามารถเข้าถึงได้ด้วยเลเซอร์” สำหรับนิวเคลียสส่วนใหญ่ นั้นต้องการแสงที่มีพลังงานสูงกว่าเลเซอร์ที่เหมาะสม โชคดีที่มีข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวในนิวเคลียสที่รู้จักทั้งหมด Safronova กล่าวว่า “เป็นสิ่งที่แปลกประหลาด” ทอเรียมหลายชนิดที่เรียกว่าทอเรียม -229 มีระดับพลังงานใกล้พอที่จะทำให้เลเซอร์สามารถกระโดดได้
การวัดล่าสุดได้ระบุพลังงานของการกระโดดได้อย่างแม่นยำมากขึ้น ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการสร้างนาฬิกานิวเคลียร์ทอเรียม Thirolf และเพื่อนร่วมงานประเมินพลังงานโดยการวัดอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสกระโดดระหว่างสองระดับดังที่รายงานในNatureในปี 2019 และในเอกสารฉบับปี 2020 ในPhysical Review Lettersนักฟิสิกส์ Andreas Fleischmann และเพื่อนร่วมงานได้วัดพลังงานอื่น ๆ กระโดดที่นิวเคลียสทอเรียมสามารถทำได้ ลบออกเพื่อ อนุมานพลังงานของการ กระโดดนาฬิกานิวเคลียร์
ภาพกล้องจุลทรรศน์ของเครื่องตรวจจับ
อาร์เรย์ของเครื่องตรวจจับที่มีความไวสูง (แสดงในภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนสีเท็จ) วัดพลังงานของแสงที่ปล่อยออกมาเมื่ออะตอมของทอเรียม -229 เพิ่มขึ้นระหว่างระดับพลังงาน การวัดเหล่านี้ทำให้ Andreas Fleischmann และเพื่อนร่วมงานประเมินพลังงานของการกระโดดที่นักฟิสิกส์ตั้งเป้าไว้เพื่อสร้างนาฬิกานิวเคลียร์
MATTHAUS KRANTZ
ทีมงานต่างเห็นพ้องกันว่าการกระโดดนั้นมีพลังงานมากกว่า 8 อิเล็กตรอนโวลต์ พลังงานนั้นสอดคล้องกับแสงอัลตราไวโอเลตในช่วงที่สามารถเริ่มต้นการกระโดดด้วยเลเซอร์ได้ แต่อยู่ที่ขอบของความสามารถของนักวิทยาศาสตร์
ตอนนี้เมื่อนักฟิสิกส์ทราบขนาดของพลังงานกระโดดแล้ว พวกเขาจึงตั้งเป้าที่จะกระตุ้นมันด้วยเลเซอร์ ในการประชุม นักฟิสิกส์ Chuankun Zhang จากสถาบันวิจัย JILA ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโล ได้รายงานความพยายามในการใช้หวีความถี่ ( SN: 10/5/18 ) ซึ่งเป็นวิธีการสร้างอาร์เรย์ของความถี่แสงเลเซอร์ที่ไม่ต่อเนื่องกัน เพื่อเริ่มต้น กระโดดและวัดพลังงานได้ดียิ่งขึ้น “ถ้ามันประสบความสำเร็จ เราสามารถสร้างนาฬิกาออปติคัลที่ใช้นิวเคลียร์ได้โดยตรงจากนั้น” เขากล่าวในที่ประชุม ทีมของ Thirolf ยังทำงานกับหวีความถี่ โดยตั้งเป้าไปที่นาฬิกานิวเคลียร์ที่ใช้งานได้ภายในห้าปีข้างหน้า
ในขณะเดียวกัน Pálffy กำลังมองหาการใช้สิ่งที่เรียกว่า “สะพานอิเล็กทรอนิกส์” แทนที่จะใช้เลเซอร์เพื่อเริ่มต้นการกระโดดพลังงานโดยนิวเคลียสโดยตรง เลเซอร์จะกระตุ้นอิเล็กตรอนก่อน จากนั้นจึงถ่ายโอนพลังงานไปยังนิวเคลียส Pálffy รายงานในที่ประชุมบาคาร่าเว็บตรง
