Zamanı Ölçmek İçin Atomun Çekirdeğine İnildi

Bir saatin zamanı gösterebilmesi için düzenli bir ritme ve o ritmi sayacak bir düzeneğe ihtiyacı var. Kol saatlerinde bu işi çoğunlukla kuvars kristali yapıyor. Atom saatlerinde ise ritmin ayarı, atomların hep aynı koşullarda verdiği tepkilere dayanıyor. Bu saatler uyduların konum hesaplamasından iletişim ağlarının eşzamanlanmasına kadar birçok sistemin kullandığı zamanı sağlıyor. Bugün bir saniyenin resmi tanımı da sezyum-133 atomunun belirli bir enerji değişimi sırasında üretilen ışınımın 9.192.631.770 salınımına dayanıyor.

Burada sözü edilen saatler, günlük hayatta kullandığımız kol veya duvar saatleri değil. Bunlar, zamanın kendisini üretmekten çok başka cihazları ayarlamak için kullanılan laboratuvar düzenekleri. Bir atom saati, son kullanıcıya saat gösteren bir ekran olmaktan çok, çok kararlı bir frekans standardı gibi çalışıyor. Frekans, bir dalganın bir saniyede kaç kez tekrarlandığını anlatıyor. Araştırmacılar bu değeri sabit tutarak başka saatlerin aynı zamanı göstermesini sağlıyor.

Telefonunuz, bilgisayarınız veya kol saatiniz elbette bugün doğrudan bir nükleer saatle çalışmıyor. Bu cihazlar kuvars osilatörlerden, internet üzerinden alınan zaman sinyallerinden veya haberleşme ağlarının senkronizasyonundan yararlanıyor. GPS uydularındaki atom saatleri ise konum hesaplamasının temel parçalarından biri. Uydudan gelen sinyalin ne kadar sürede ulaştığı hesaplanırken zaman farkı birkaç milyarda bir saniye bile sonucu etkileyebiliyor. Nükleer saatler ileride mevcut atom saatlerinin yerini alırsa, bu tür sistemlere daha kararlı bir referans sağlayabilir.

Viyana ve Pekin’deki araştırmacılar, saatlerini ayarlamak için atomun başka bir bölümünü kullandı: çekirdeğini. İki ekibin sonuçları 7 Ekim’de Nature’da yayımlanan ilk çalışmada ve ikinci çalışmada açıklandı. Bulgular haziran ayında ön baskı olarak paylaşılmıştı; bu haftaki gelişme, çalışmaların hakemli dergide yayımlanması.

Adındaki ‘nükleer’, saatin bir reaktörle veya nükleer enerjiyle çalıştığı anlamına gelmiyor. Ölçümün dayanağı, toryum elementinin bir izotopu olan toryum-229’un çekirdeği. Araştırmacılar çok az miktarda toryum-229’u bir kristalin içine yerleştirip üzerine lazer ışığı gönderiyor. Çekirdekler, ışığı ancak lazerin frekansı doğru değere yaklaştığında soğuruyor. Bu tepki, lazerin doğru frekansta olup olmadığını gösteriyor.

Lazerin ışık dalgaları saatin saydığı ritmi oluştururken toryum çekirdeği bu ritmin ayarını belirliyor. Lazerin frekansı zaman içinde çok küçük bir miktarda kayarsa çekirdeğin soğurduğu ışık da değişiyor. Sistem bu farkı ölçüp lazeri yeniden ayarlıyor. Böylece çekirdek, saatin içindeki sabit bir referansa dönüşüyor.

Bu ayrım, çalışmaların neden yeni olduğunu açıklıyor. Araştırmacılar 2024’te toryum çekirdeğini lazerle uyarabilmişti. Fakat çekirdeğin hangi ışığa tepki verdiğini bulmak, onunla sürekli çalışan bir saat yapmakla aynı şey değildi. Viyana ve Pekin ekipleri, çekirdeğin ışığı ne kadar soğurduğunu izleyip bu bilgiyi lazere geri gönderdi. Viyana’daki düzenek, araştırmacı müdahalesi olmadan 24 saatten uzun süre bu biçimde çalıştı. Tsinghua ekibi de 148 nanometre dalga boyunda çalışan sürekli bir morötesi lazeri toryum-229 geçişine sabitledi.

Peki çekirdeğe geçmenin ne faydası var? Bugünün atom saatleri, atomun çevresindeki elektronların enerji durumları arasındaki değişimi referans alıyor. Çekirdek çok daha küçük ve dış etkilerden kısmen korunuyor. Bu özellik, ileride sıcaklık, manyetik alan ve elektriksel çevre gibi etkenlerden daha az etkilenen saatler yapılmasına yardımcı olabilir.

Ancak iki nükleer prototip de henüz günümüzün en iyi optik atom saatlerinin performansına ulaşmış değil. Kristalin içindeki ortam, toryum çekirdeğinin ölçülen frekansını etkileyebiliyor. Morötesi lazerlerin de daha kararlı ve güçlü hale gelmesi gerekiyor. Araştırmacılar, daha iyi kristaller ve daha güçlü lazerlerle hassasiyetin birkaç kademe artırılabileceğini düşünüyor.

Daha iyi bir saatin nerede işe yarayacağı sorusunun iki yanıtı var. İlki, uydulu navigasyon, haberleşme ağları ve hassas ölçüm sistemlerinde cihazların aynı zamanı paylaşmasını daha güvenilir hale getirme ihtimali. Finansal işlemlerin zaman damgaları ve internet altyapısındaki veri akışı da doğru senkronizasyona ihtiyaç duyuyor. Bu prototiplerin yakın zamanda telefonlara veya uydulara yerleştirileceği anlamına gelmiyor. Şimdilik bunlar, gelecekte kullanılabilecek bir zaman standardının laboratuvar gösterimleri.

İkinci kullanım alanı bilimsel araştırma. Viyana ekibi nükleer saatini başka bir atom saatiyle karşılaştırarak bazı karanlık madde modellerinin öngördüğü küçük frekans değişimlerini aradı. Karanlık madde bulunmadı; ölçüm, olası değişimlere yeni sınırlar koydu. Nükleer geçişler, atom saatlerinden farklı fiziksel etkilere duyarlı olduğu için iki saat türünü karşılaştırmak, temel sabitlerdeki çok küçük değişimleri veya yeni kuvvetlerin izlerini aramak için kullanılabilir.

Şimdilik resmi saniye sezyum atomuna bağlı ve hassasiyet rekoru mevcut optik atom saatlerinde. Viyana ile Pekin’in gösterdiği şey, toryum çekirdeğinin de bir lazerin ritmini sürekli ayarlayabildiği. Bundan sonraki iş, bu yeni saati rakipleri kadar güvenilir, daha küçük ve daha hassas hale getirmek.