Jaderné hodiny ve Vídni se dolaďují samy podle jádra thoria-229
Tým TU Wien a německé PTB stabilizoval laser o vlnové délce 148 nanometrů přímo na jaderném přechodu thoria-229, takže hodiny podle Nature běžely přes den bez zásahu obsluhy. Na vláknových spojích, kterými se měření porovnávalo s iontovými hodinami, se podíleli i dva fyzici z brněnského Ústavu přístrojové techniky AV ČR. Ve stejném čísle Nature vyšla druhá práce o jaderných hodinách, od týmu z Pekingu.
Optické atomové hodiny měří čas podle toho, jak rychle kmitá světlo, které pohltí elektron v obalu atomu. Tým z vídeňské TU Wien a z německého metrologického ústavu PTB v Braunschweigu teď popsal zařízení, kde tu úlohu přebírá samotné atomové jádro. Práce A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop vyšla 7. října 2026 v Nature v otevřeném přístupu.
Jediné jádro, na které stačí laser
Jádra atomů mají mezi svými energetickými stavy propasti v řádu milionů elektronvoltů. Laser je nepřekoná. Thorium-229 je výjimka: jeho první vzbuzený stav leží podle článku pouhých 8,4 elektronvoltu nad základním, tedy v dosahu vakuového ultrafialového světla. Ekkehard Peik, dnes jeden ze spoluautorů nové práce, navrhl spolu s Tammem už v roce 2003 postavit na tom hodiny. Trvalo jedenadvacet let, než se v dubnu 2024 podařilo thoriové jádro laserem skutečně vybudit – povedlo se to týmům, které stojí i za novou prací.
Proč se o jádro vůbec stojí: je víc než desettisíckrát menší než celý atom a vnější pole na něj působí slaběji. Hodiny z něj mají být odolnější proti vnějším vlivům, které běžným atomovým hodinám rozhazují chod. Holé jádro ve vakuu navíc drží vzbuzený stav skoro hodinu, což je na optickou spektroskopii nezvykle dlouho.
Zpětná vazba dělá z pokusu hodiny
Dosud se thoriová jádra vzbuzovala laserem, jehož frekvenci držel vnější normál. To ale nejsou hodiny jaderné, jen experiment napojený na cizí normál. Vídeňská sestava uzavřela smyčku: spojitě pracující laser o vlnové délce 148 nanometrů prosvítí milimetrový krystal fluoridu vápenatého s příměsí thoria-229, za krystalem stojí fotonásobič a z toho, kolik světla jádra pohltila, vzniká chybový signál. Ten přes elektrooptický modulátor posouvá frekvenci laseru zpátky na rezonanci.
Krystal přitom leží v pokojové teplotě. Autoři uvádějí, že se během všech měření držel v rozmezí plus minus 0,5 kelvinu kolem 294,7 kelvinu, a to bez jakékoli aktivní stabilizace. Thorium do práce dodalo americké ministerstvo energetiky přes Oak Ridge National Laboratory, vídeňskou část financovala mimo jiné agentura DARPA.
Sekunda za třicet milionů let
Nestabilita hodin vychází na 3×10⁻¹² dělených odmocninou doby zprůměrování v sekundách a za den provozu se blíží k 10⁻¹⁵. TU Wien to v tiskové zprávě přepočítává na chybu zhruba jedné sekundy za 30 milionů let a dodává, že sestava vydržela běžet přes čtyřiadvacet hodin bez zásahu.
Rekord to není a vedoucí týmu Thorsten Schumm to říká rovnou: nejlepší optické atomové hodiny jsou dál. Na prototyp je to ale podle něj výborný výsledek a zlepšení o několik řádů má přijít od silnějších laserů a lepších krystalů. Dnešní normály času to tedy nenahrazuje; je to prototyp technologie, která by je nahradit mohla.
Vláknové spoje měřil i brněnský ústav
Aby se dalo říct, jak přesně hodiny jdou, musí se s něčím porovnat. Vídeňský laser se proto spojitě srovnával s iontovými hodinami na ytterbiu, které provozuje rakouský metrologický úřad BEV. Signál mezi oběma pracovišti vede optické vlákno s kompenzací Dopplerova posuvu, tedy s obvodem, který průběžně ruší kolísání vnesené samotným vláknem.
Právě tady je v práci stopa z Česka. Mezi osmadvaceti autory stojí Martin Čížek a Ondřej Číp ze skupiny kvantové metrologie z Ústavu přístrojové techniky AV ČR v Brně a v rozpisu příspěvků se u nich uvádí, že vláknové spoje použité v měření postavili a udržovali.
Hodiny, které hledají temnou hmotu
Frekvence thoriového přechodu je výjimečně citlivá na to, jestli se mění základní konstanty fyziky. Autoři proto hodinami rovnou prohledávali data: sledovali, jestli se energie přechodu periodicky nekolísá nebo pomalu neujíždí, a to na časech od dvaceti sekund do jednoho dne. Žádný takový signál v článku nestojí; místo něj z měření sestavili meze pro modely ultralehké temné hmoty. U vazby na fotony jsou jejich meze podle článku srovnatelné s nejlepšími atomovými hodinami, u vazby na silnou interakci jdou za dosavadní měření.
Ve stejném čísle druhé hodiny
Nature vydalo 7. října ještě druhou práci o jaderných hodinách. Stojí za ní tým z Tsinghuaovy univerzity, Pekingské akademie kvantových informačních věd a šanghajského ústavu optiky a jemné mechaniky čínské akademie věd. Princip je týž, provedení jiné: laser o vlnové délce 148,4 nanometru dostává výkon deset mikrowattů ze směšování čtyř vln v parách kadmia.
Tisková zpráva TU Wien označuje vídeňské hodiny za první samostabilizující se na světě a čínské za druhé. Pořadí ale nic neříká o tom, které hodiny jdou přesněji: pekingská sestava uvádí nestabilitu 5×10⁻¹³ dělených odmocninou doby zprůměrování, tedy na krátkých časech kolísá méně než vídeňská, a přes měřený úsek se rovněž dostává na úroveň 10⁻¹⁵. Obě skupiny došly ke stejnému cíli každá po svém a výsledek zveřejnily téhož dne.