Ekkehard Peik, yenilikçi bir saatin temel bileşenlerini geliştirmenin sadece birkaç ay alacağını tahmin ediyordu. O ve meslektaşı Christian Tamm 2001 yılında, dünyanın en iyi atom saatlerinin hassasiyetini ve taşınabilirliğini aşabilecek bir aygıt önerdiler.
Peik’in tahmini yirmi yıldan fazla bir süreyle yanlış çıktı. Bu yıl, ekibi ve diğer iki grup, Tamm ile birlikte planladıkları şeyi başarıyla gerçekleştirerek, atom çekirdeğindeki küçük enerji dalgalanmalarından türetilen bir saatin ilk tik takını üretti.
Dünyadaki en gelişmiş atomik saatler, bir atom çekirdeğini çevreleyen elektronların enerji değişimlerine bağlıdır. Bu saatler öyle bir hassasiyete sahiptir ki, her 40 milyar yılda sadece bir saniye kazanır ya da kaybederler.
Almanya’nın Braunschweig’daki ulusal metroloji enstitüsü PTB’de fizikçi olan Peik ve Tamm, nükleer bir yöntem fikrini tasarladılar. Peik, “Hızlıca bir gösteri deneyi yapabileceğimize inandık” diyor. Bir yılı aşkın bir süre boyunca, radyoaktif toryum-229 çekirdeklerini uyarılmış bir duruma getirmek için çeşitli yöntemler denediler. Daha sonra, bir lazeri çekirdeklerin geçiş enerjisine göre kalibre etmeleri ve nihayetinde zaman tutma için frekansını kullanmaları gerekiyordu. “Ancak tüm deneyler başarısızlıkla sonuçlandı” diyor. İkili, doğrulanmamış önerilerini 2003 yılında yaydı.
Tamm daha sonra istifa etti, ancak Peik konuyla ilgilenmeye devam etti. Kendini adaması, bu yıl grubunun çekirdeği işlev görmesi için uyaran üç kişiden ilki olmasıyla sonuç verdi. Bu tür bir cihazın en hassas saatlerin yerini alabilmesi için önünde uzun bir mesafe var. Bir başlangıç topu ateşlendi. Viyana Teknoloji Üniversitesi’nde Peik’in ortağı olan atom fizikçisi Thorsten Schumm, “Şimdi herkes bir pay istiyor” diyor.
Peik, hassas saatler tarafından sürekli büyüleniyordu. Temel fizik ve pratik uygulamaların entegrasyonu onu heyecanlandırıyordu. Yeni bir saat türü geliştirme fikri, PTB’deki ortağı metroloji uzmanı Uwe Sterr’in nükleer fizik literatüründe bir anormallik gözlemlemesinin ardından ortaya çıktı. Araştırmalar, toryum-229 çekirdeğinin alışılmadık derecede düşük enerjili bir uyarılmış duruma sahip olduğunu gösteriyordu – hassas bir lazer kullanarak geçişi kolaylaştırmak için yeterince düşük bir durum. Bu geçiş nükleer fizikçiler için ilgi çekici bir noktaydı. Ancak Peik ve Tamm bu geçişi bir saat oluşturmak için kullanabileceklerini fark ettiler. Peik, “Daha ileri adımlar atmak bizim için tamamen mantıklıydı,” diyor. “Bunu daha önce kimse başaramamıştı.”
Nükleer fizikle derinlemesine ilgilenen Peik, bir toryum-229 saatinin çok sayıda avantaj sunacağını hemen fark etti. Nükleer bir saat sadece atomik saatlerden daha yüksek hassasiyete ulaşmakla kalmayacak, aynı zamanda çekirdek elektronlara kıyasla elektromanyetik alanlara daha az duyarlı olduğu için daha fazla sağlamlık da sergileyecekti.
İşlevselliğe ulaşmak için geçiş enerjisini belirlemeleri gerekiyordu. Toryum çekirdeklerini yüksek bir enerji durumuna uyarmak için lambalar, lazerler ve yüksek enerjili radyasyon gibi yenilikçi yöntemler kullandılar. Ancak, her yaklaşım başarısız oldu. Yine de, her çabada bilgi edindiler. Peik’e göre bu, ivmelerini sürdürmeleri için yeterliydi.
Çalışmaya 2010 yılında dahil olan Schumm, başarısını Peik’in fikirlerine duyduğu güvene bağlıyor. “Alternatif bir karakter bu kadar ilerleyemezdi.”
Başarı, ikilinin girişimi çeşitli metodolojileri içeren Avrupa çapında bir ortaklığa dönüştürmelerinden kaynaklandı. Schumm’un laboratuvarı, 2003 yılındaki çalışmadaki kavramları keşfetmeye devam ederek, daha iyi tespit edilebilirlik için geçiş sinyalini arttırmak üzere bir kristale trilyonlarca toryum-229 atomu yerleştirmeye çalıştı. Aynı zamanda, Peik’in laboratuvarı çekirdeği uyarabilen bir ultraviyole lazer geliştirdi.
2023 yılında, Avrupa’nın Cenevre, İsviçre yakınlarındaki parçacık fiziği laboratuvarı CERN’deki konsorsiyum meslektaşları, daha sonra toryum-229’a dönüşen geçici bir radyoaktif element üreterek doğal bir enerji değişimine tanık oldular. Peik ve Schumm’un ekibi arama parametrelerini daha net bir şekilde anladı ve uygun lazer frekansını belirleyerek karakteristik geçişi başarıyla tetikledi. Peik, “Hepimiz çok heyecanlıydık” diyor.
O zamandan bu yana, Amerika Birleşik Devletleri’ndeki fizikçiler geçişi bir zaman ölçme cihazına dönüştürme sürecini başlattılar. Araştırmacılar, temel nükleer kuvvetlere dayanan tik işaretini, karanlık maddenin özellikleri de dahil olmak üzere temel fiziği araştırmak için kullanıyorlar.
Nükleer saatlerin potansiyellerini gerçekleştirebilmeleri için bilim insanlarının daha kompakt ve hassas lazerler geliştirmeleri ve geçiş enerjisinin kristal malzeme türüne bağımlılığı da dahil olmak üzere belirsizlik kaynaklarına ilişkin anlayışlarını geliştirmeleri gerekiyor. Alanın başlangıcında Peik’in dinlenmeye niyeti yok. “Bir kez daha, kavramları ve deneysel ilerlemeyi öngörmekle ilgili” diyor. “Beni neyin takip edeceği merak uyandırıyor.”
Kaynak: nature.com/articles/d41586-024-03891-4
