Atom saatleri uzun süredir zaman ölçümünün merkezinde yer alıyor. Ancak çevresel etkenler, bu sistemlerin hassasiyetini zaman zaman zorlayabiliyor. Yeni çalışmada ise bilim insanları atom çekirdeklerini baz alan, “kendi kendini dengeleyen” bir nükleer saat prototipini çalıştırmayı başardı.
Viyana Teknoloji Üniversitesi (TU Wien) ve Almanya Federal Fizik Teknik Enstitüsü (PTB) bünyesindeki ekip, geliştirdikleri sistemi dışarıdan herhangi bir atom saatine ihtiyaç duymadan sürdürülebilir biçimde dengeleyebildiklerini ortaya koydu. Çalışmanın öne çıkan kısmı, prototipin 24 saat boyunca kesintisiz ve tam bağımsız şekilde kararlılığını koruması oldu.
Atom saatlerinden neden farklı?
Geleneksel optik atom saatleri, atomların yörüngesindeki elektronların enerji geçişlerini referans alıyor. Bu yaklaşım son derece hassas olsa da elektronlar, sıcaklık dalgalanmaları ve benzeri çevresel etkenlerden etkilenebiliyor. Böyle durumlar da ölçümlerin doğruluğunu zamanla etkileyebiliyor.
Bu noktada nükleer saat yaklaşımı devreye giriyor. Atom çekirdekleri, bütünsel atoma kıyasla çok daha küçük bir ölçek olduğu için dış etkilere karşı daha dayanıklı kabul ediliyor. Araştırmacılar, bu sağlamlıktan dolayı toryum çekirdekleriyle kurulan sistemin zaman ölçümünde daha istikrarlı sonuçlar verebileceğini vurguluyor.
Toryum ve lazerle kendi ritmini bulma
Çalışmanın kalbi, TU Wien’de özel olarak üretilen ve bünyesinde toryum atomları barındıran sentetik kristal. Toryum, çekirdek enerji seviyeleri arasındaki farkın küçük olması sayesinde lazer ışığıyla etkileşime girebilen ender elementler arasında yer alıyor.
Sistemde lazer ışığının frekansı ortam koşulları nedeniyle hafifçe kaydığında, toryum çekirdeklerinin emdiği ışık miktarı da buna bağlı olarak düşüyor. Saatin mekanizması ise bu düşüşü anında tespit ediyor ve lazeri yeniden doğru frekansa getiriyor. Böylece sistem, dış bir saate ihtiyaç duymadan kendi ritmini korumaya devam ediyor.
Ekip, bu prototipin yalnızca kısa süreli denemelerde değil, uzun bir zaman aralığında da kararlılığını sürdürebildiğini özellikle gösterdi. Nisan 2024’te baryum yerine toryum çekirdeklerinin lazerle uyarılabildiği ilk kez ortaya konmuştu. Bu kez ise geliştirilen prototipin 24 saat boyunca kesintisiz çalışabildiği ve dengeyi bağımsız biçimde koruduğu bildirildi.
Hassasiyet hedefi: 30 milyon yılda 1 saniye sapma
İlk performans ölçümlerinde prototip nükleer saatin bağıl hassasiyeti 10-15 düzeyinde olarak raporlandı. Bu değer, saatin 30 milyon yılda yalnızca 1 saniyelik sapma gösterebileceği senaryoya işaret ediyor.
Prof. Dr. Thorsten Schumm, mevcut optik atom saatlerinin “henüz zirvede” olduğunu; ancak nükleer saatin ilk prototipi için elde edilen sonucun “olağanüstü” olduğunu söyledi. Schumm, bu sonuçların dünyadaki en iyi optik atom saatlerinin seviyesine henüz eşit bir noktayı temsil etmediğini belirtse de, lazer gücünü ve toryum kristali kalitesini artırarak teknolojiyi zaman ölçümünde yeni bir standarda dönüştürmeyi hedeflediklerini ifade etti.
Kaydedilen bu ilerleme, nükleer saatlerin gelecekte zaman ölçümünde daha sağlam ve uzun vadeli doğruluk vaat edebileceğini gösteren önemli bir aşama olarak değerlendiriliyor.
