Վիեննայի տեխնիկական համալսարանի (TU Wien) ֆիզիկոսները ստեղծել են առաջին ինքնավարորեն կայունացվող միջուկային ժամանակաչափը։ Ի տարբերություն սովորական ատոմային ժամացույցների, որոնք օգտագործում են էլեկտրոնների անցումները էներգետիկ վիճակների միջև, նոր համակարգը հիմնվում է թորիումի ատոմային միջուկների ներսում ընթացող պրոցեսների վրա։ Փորձարկումների ժամանակ նախատիպն աշխատել է ավելի քան մեկ օր՝ առանց արտաքին միջամտության, և ցույց է տվել մոտ (10^{-15}) կարգի հարաբերական ճշգրտություն։ Առայժմ այն զիջում է լավագույն օպտիկական ատոմային ժամացույցներին, սակայն հետազոտողները կարծում են, որ միջուկային տեխնոլոգիան ունի ճշգրտության հետագա բարձրացման ներուժ։

Ինչու ժամացույցի համար ընտրվեց թորիումը

Ժամանակակից ատոմային ժամացույցները ժամանակը չափում են էլեկտրամագնիսական ճառագայթման չափազանց կայուն հաճախականության օգնությամբ, որը կապված է ատոմների էներգետիկ վիճակների միջև էլեկտրոնների անցումների հետ։ Սակայն արտաքին ազդեցությունները, այդ թվում՝ ջերմաստիճանային տատանումները, կարող են ազդել սարքավորման աշխատանքի վրա և խանգարումներ ստեղծել։

Միջուկային ժամացույցներն օգտագործում են այլ ֆիզիկական պրոցես՝ ատոմային միջուկի էներգետիկ վիճակների միջև անցումները։ Միջուկները զգալիորեն փոքր են ատոմներից և, սկզբունքորեն, ավելի քիչ են ենթարկվում որոշ արտաքին ազդեցությունների, որոնք խանգարում են ճշգրիտ չափումներին։

Երկար ժամանակ նման համակարգի իրականացումը դժվար էր. միջուկային էներգետիկ վիճակների միջև անցումները սովորաբար պահանջում են շատ ավելի մեծ էներգիա, քան կարող են ապահովել սովորական լազերները։ Թորիում-229-ը դարձավ հազվադեպ բացառություն։ Այն ունի երկու միջուկային վիճակ՝ էներգիաների անսովոր փոքր տարբերությամբ, ուստի դրանց միջև անցումը կարելի է առաջացնել լազերային ճառագայթմամբ։

2024 թվականի ապրիլին TU Wien-ի պրոֆեսոր Թորստեն Շումմի գլխավորած խումբը՝ գերմանական Դաշնային ֆիզիկատեխնիկական ինստիտուտի (PTB) Էքեհարդ Պայքի գլխավորած հետազոտողների հետ համատեղ, փորձարարորեն հաստատեց այս անցման գոյությունը։ Գիտնականները առաջին անգամ կարողացան լազերի օգնությամբ գրգռել թորիումի միջուկները։

Ավելի ուշ՝ 2024 թվականին, նրանք համակարգը կապեցին սովորական օպտիկական ատոմային ժամացույցների հետ և ցույց տվեցին, որ միջուկային անցումը կարելի է օգտագործել որպես բարձր ճշգրտության հղման ստանդարտ։ Սակայն մնում էր մի կարևոր խնդիր՝ սովորել կայունացնել համակարգը առանց սովորական ատոմային ժամացույցների մշտական հենարանի։

Ինչպես է ժամացույցը պահպանում սեփական ճշգրտությունը

Նոր համակարգում լազերը ուղղվում է հատուկ բյուրեղի վրա, որը պարունակում է թորիումի ատոմներ։ Լազերային ճառագայթման հաճախականությունը ծառայում է որպես ժամանակի հաշվարկի հիմք, սակայն այն կարող է փոքր-ինչ փոխվել շրջակա միջավայրի ազդեցությամբ։

Նման շեղումները փոխհատուցելու համար հետազոտողները որպես հետադարձ կապի համակարգ օգտագործել են հենց թորիումի միջուկները։

Միջուկները կլանում են լազերային ճառագայթումը, երբ դրա հաճախականությունը համապատասխանում է անհրաժեշտ էներգետիկ անցմանը։ Եթե լազերի հաճախականությունը սկսում է շեղվել, կլանումը նվազում է։ Համակարգը գրանցում է այս փոփոխությունը և ավտոմատ կերպով շտկում հաճախականությունը՝ վերադարձնելով այն անհրաժեշտ արժեքին։

Այսպիսով, միջուկային անցումը ոչ միայն սահմանում է չափումների ստանդարտը, այլև օգնում է պահպանել հենց լազերի կայունությունը։ Առաջին անգամ հետազոտողներին հաջողվել է ցուցադրել նման ինքնակարգավորվող համակարգ, որը կարող է աշխատել առանց սովորական ատոմային ժամացույցների՝ որպես արտաքին հղման ստանդարտ։

Մեկ վայրկյան 30 միլիոն տարում՝ առայժմ միայն վերահաշվարկով

Մոտ մեկ օր տևած փորձարկումների ընթացքում նախատիպը ցույց տվեց մոտ (10^{-15}) կարգի հարաբերական ճշգրտություն։ Դա համապատասխանում է մոտավորապես 30 միլիոն տարվա ընթացքում պայմանականորեն մեկ վայրկյան սխալին։

Կարևոր է հասկանալ, որ գիտնականները սարքի աշխատանքը չեն դիտարկել միլիոնավոր տարիներ շարունակ։ Սա չափված հարաբերական ճշգրտության վերահաշվարկն է երկար ժամանակահատվածի համար, ոչ թե սխալի կուտակման հաստատված ժամկետ։

Բացի այդ, նոր սարքը դեռ չի գերազանցել լավագույն օպտիկական ատոմային ժամացույցներին, որոնք մնում են ժամանակի բարձր ճշգրտությամբ չափման ստանդարտը։ Հետազոտության ղեկավար Թորստեն Շումմը արդյունքը գերազանց է անվանել առաջին նախատիպի համար, սակայն ընդգծել է, որ գործող համակարգերի ռեկորդային ցուցանիշներին հասնելը դեռ առջևում է։

Ինչու են պետք նոր սերնդի ժամացույցներ

Գիտնականները նախատեսում են բարձրացնել համակարգի ճշգրտությունը ավելի հզոր լազերների և ավելի բարձր որակի թորիումի բյուրեղների օգնությամբ։ Եթե այս բարելավումները արդարացնեն սպասելիքները, ապագայում միջուկային ժամացույցները կկարողանան գերազանցել գոյություն ունեցող ատոմային համակարգերը։

Նման մշակումների գործնական արժեքը չի սահմանափակվում միայն ժամանակի ավելի ճշգրիտ չափմամբ։ Բարձր ճշգրտության ժամացույցները օգնում են չափել նաև այլ ֆիզիկական մեծություններ, ինչպես նաև ստուգել հիմնարար տեսությունները։ Էլ ավելի կայուն ստանդարտը կարող է գիտնականներին նոր հնարավորություններ տալ բնության հատկությունների ուսումնասիրման և ֆիզիկական պարամետրերի չափազանց փոքր փոփոխությունների որոնման համար։

Առայժմ Վիեննայի թիմի աշխատանքը հաստատում է գլխավոր փաստը. միջուկային ժամացույցներն անցել են առանձին անցման փորձարարական ցուցադրումից դեպի ինքնավարորեն կայունացվող համակարգ։ Գործնական խնդիրներում լավագույն ատոմային ժամացույցներին փոխարինելու ունակ սարքերի ի հայտ գալը դեռ հեռու է, սակայն նման անցման սկզբունքային հնարավորությունն արդեն ցուցադրվել է։