Lumea intră într-o nouă eră a timpului: primele ceasuri nucleare au devenit realitate. Ce înseamnă pentu omenire

Cercetători din Austria și China au anunțat dezvoltarea primelor ceasuri nucleare funcționale, realizate independent de două echipe din Viena și Beijing. Noile dispozitive deschid o direcție diferită pentru măsurarea extrem de precisă a timpului și ar putea avea utilizări în mai multe domenii.

Moment istoric în știință: au fost create primele ceasuri nucleare funcționale din lume

Rezultatele celor două echipe au fost prezentate în două studii publicate miercuri în revista Nature. Cercetătorii precizează că tehnologia are potențialul de a depăși, în viitor, performanțele celor mai avansate ceasuri atomice disponibile în prezent. Dispozitivele obținute până acum nu au ajuns însă la nivelul de precizie al celor mai performante ceasuri atomice convenționale.

Ceasurile nucleare sunt considerate o evoluție a tehnologiei de măsurare a timpului reprezentate de ceasurile atomice, dezvoltate pentru prima dată în 1949. Diferența fundamentală constă în fenomenul urmărit pentru stabilirea timpului: în locul tranzițiilor electronilor, noua tehnologie urmărește tranzițiile energetice care au loc în nucleul atomului.

Toriu-229, elementul central al noii tehnologii

Denumirea de „ceas nuclear” nu înseamnă că dispozitivele funcționează cu ajutorul energiei produse prin fisiune sau fuziune nucleară. Termenul face referire la nucleul atomic, care devine elementul urmărit în procesul de măsurare. Ambele echipe au folosit toriu-229, un izotop al toriului. Atomii acestui izotop sunt menținuți în cristale solide de fluorură de calciu, iar cercetătorii folosesc un laser de mare putere pentru a provoca și observa tranzițiile energetice din nucleu.

Fizicianul Shiqian Ding de la Universitatea Tsinghua, unul dintre cercetătorii care au contribuit la conducerea echipei din Beijing, a subliniat faptul că cele două grupuri au ajuns la rezultate similare prin metode experimentale diferite.

„Cele două echipe au lucrat independent și au reușit să opereze simultan ceasuri nucleare cu toriu-229, folosind abordări experimentale diferite. Cred că acest lucru este foarte încurajator, deoarece arată că conceptul este robust și nu depinde de o anumită implementare tehnică”, a declarat fizicianul Shiqian Ding de la Universitatea Tsinghua din China, care a contribuit la conducerea echipei din spatele ceasului din Beijing.

Și cercetătorii austrieci au urmărit de mai mult timp obținerea unui astfel de dispozitiv. Thorsten Schumm, fizician la TU Wien și unul dintre coordonatorii echipei din Viena, a precizat că proiectul său are o istorie de aproape două decenii.

„Crearea unui ceas nuclear a fost ceva la care fizicienii au visat timp de aproape 50 de ani. În echipa mea, lucrăm pentru atingerea acestui obiectiv din 2008”, a declarat fizicianul Thorsten Schumm de la TU Wien din Austria, care a contribuit la conducerea echipei din spatele ceasului vienez.

De ce nucleul atomic poate permite o precizie mai mare

Ceasurile atomice existente determină timpul prin monitorizarea comportamentului electronilor. Laserele sau microundele sunt utilizate pentru a produce tranziții între două niveluri de energie ale electronilor din învelișul atomului. Printre elementele folosite pentru aceste sisteme se numără cesiul și stronțiul.

În cazul ceasului nuclear, fenomenul măsurat se produce într-o regiune mult mai mică a atomului. Laserul este folosit pentru a urmări tranzițiile protonilor și neutronilor între niveluri energetice aflate în interiorul nucleului toriului-229.

Dimensiunea redusă a nucleului în comparație cu învelișul electronic reprezintă unul dintre motivele pentru care cercetătorii consideră că această metodă ar putea oferi o măsurare și mai precisă a timpului. Urmărirea tranzițiilor nucleare ar putea, prin urmare, să permită depășirea limitelor atinse de metodele bazate pe electroni.

În prezent, însă, această posibilitate rămâne una pentru dezvoltarea viitoare a tehnologiei. Primele ceasuri nucleare funcționale realizate la Viena și Beijing demonstrează că principiul poate fi pus în practică, dar nu depășesc încă performanțele celor mai bune ceasuri atomice convenționale.

Posibile utilizări în navigație și măsurători

Thorsten Schumm a indicat mai multe domenii în care ceasurile nucleare ar putea ajunge să fie utilizate. Printre acestea se află navigația prin satelit, sincronizarea transferurilor de date, topografia și metrologia.

Metrologia se ocupă cu studiul măsurătorilor și cu aplicarea acestora în practică, iar dezvoltarea unor dispozitive capabile să măsoare timpul cu o precizie mai mare poate avea implicații pentru acest domeniu. Precizia suplimentară ar putea fi relevantă și pentru sistemele care depind de sincronizarea foarte exactă a datelor.

Cele două echipe au ajuns la primele rezultate funcționale în mod independent și au folosit abordări experimentale diferite. Utilizarea aceluiași izotop, toriu-229, în cristale de fluorură de calciu oferă o bază comună pentru cele două dispozitive.

Rezultatele publicate în Nature marchează astfel trecerea de la conceptul teoretic al unui ceas nuclear la realizarea unor dispozitive funcționale, în timp ce cercetările continuă pentru îmbunătățirea performanțelor acestora.