Varför bygger forskare ett klockklocka? Eftersom Atomic Klockor är inte perfekta

Uppgiften att bygga en klocka som korrekt håller tiden är helt olik clockwork. Normala klockor hjälper oss ganska bra för dagens praktiska behov, men vetenskaplig forskning och teknik baserad på känsliga mätningar kräver klockor som kan mäta tidens gång med största precision. Således uppfann forskare atomklockor - och medan de är mer exakta när det gäller att hålla tid än konventionella system, var det fortfarande betydande utrymme för förbättringar. Nu flyttar forskare från atomvärlden till den kärntekniska. En ny studie publicerad i Natur visar att tyska fysiker har utvecklat en klocka som kan förlora mindre än en tiondel av en sekund var 20 miljarder år. Det är - beroende på hur du tittar på det - 10 gånger bättre än nuvarande atomteknik

Men innan vi dubblar klockor föråldrade, låt oss överväga vad som gör dem annorlunda från pendulflappande förfäder.

Varje klocka använder en resonator för att hålla koll på tiden. En resonator är en mekanism som, för att förenkla, "fläckar" regelbundet. Gamla klockor använde en pendel och växlar som resonator. Digitala klockor använder oscillationerna på kraftledningen eller en kvarts kristall som resonatorn. En atomur tar denna idé några steg framåt genom att använda resonansfrekvenser av atomer själva som resonatorn. I detta system regleras resonatorn av den elektromagnetiska strålningen som emitteras av en atomoms kvantaövergång. Med andra ord håller en atomur koll på tiden genom att mäta de energiska förändringarna i en atompartikel.

För vissa element och deras isotoper händer detta vid konsekventa frekvenser. Cesium-133 oscillerar exempelvis vid exakt 9 192 631 770 cykler per sekund. Därför brukade den bygga den första klockan vid National Physical Laboratory i Storbritannien 1955.

Sedan dess har ett antal tekniska framsteg lett till mer noggranna atomklockor - inklusive laserkylning och fångning av atomer, mer exakt laserspektroskopi, och att finna ut andra isotopelement som uppvisar ännu mer konsekventa resonansfrekvenser. Den nuvarande rekordhållaren för de mest exakta klockorna baserar avläsningar på ytterbiumjoner.

Anledningen till atomklockor är så kritisk har att göra med att klockor mäter tiden annorlunda vid olika höjder. Ju längre en klocka är från den huvudsakliga tyngdkraften, desto snabbare går det (det vill säga en klocka går fortare vid Mount Everest än vid havsnivån). Skillnaden är tydligen försumbar, men kan lägga till när mer tid passerar.

Så mycket av vår teknik fungerar idag som globala applikationer, som GPS. För att säkerställa att de körs samtidigt, oavsett var någon är, måste de vara knutna direkt till en korrekt klocka. Det finns inget bättre sätt att se till att använda atomklockor som standard. I den senaste studien skisserar det tyska forskargruppen en idé att direkt mäta oscillationerna hos elementets atomkärna i sig (i motsats till de elektroner som omger kärnan). En atomur som bygger på denna design kan undvika att påverkas av yttre krafter. Forskargruppen identifierar ett exciteringsläge i toriumisotopen, Th-229m, som kan fungera - och illustrerar experimentella fynd som stöder detta begrepp.

Det finns bara ett problem: Th-229m förekommer inte naturligt. Även om resultaten av den nya studien ändå är imponerande, är det oklart exakt hur forskare kan skörda tillräckligt med Th-229m för att bygga och underhålla en klockklocka. Forskarna härledde Th-229m i detta fall genom att använda uran-233 som en källa. Det är inte en lätt process.

Om forskare räknar ut hur man löser det lilla problemet och genererar en hållbar mängd Th-229m tittar vi på en ny generation atomklockor som utan tvekan kommer att spela en viktig roll då vi bygger mer och mer teknik som spänner över världen och tjänar människor i alla hörn av världen.