Atomové hodiny jsou mimořádně přesná a složitá zařízení pro měření času, která jsou schopna udržet přesnost i po stovky milionů let. Vědci nyní zkoumají možnosti vývoje jaderných hodin, které by měly nabídnout ještě větší přesnost a spolehlivost měření času, informuje magazín TechSpot.
Nedávný experiment provedený v Evropském rentgenovém laseru s volnými elektrony (European XFEL) prokázal potenciál skandia coby výjimečně přesných „jaderných“ hodin, které se mohou pochlubit přesností na úrovni 1:10 000 000 000 000. Takové hodiny by byly schopné uchovat si přesnost po dobu neuvěřitelných 300 miliard let, což je přibližně 22× více, než je aktuální stáří vesmíru.
Atomové hodiny jsou přesné, ale ne dost
Atomové hodiny, které jsou proslulé svou výjimečnou přesností, jsou založené na využití elektronů v atomovém obalu chemického prvku ke generování přesných impulzů, a tím k určení času. Běžné atomové hodiny využívají atomy cesia, kde lze elektrony vynést do vyšších energetických stavů pomocí předem stanovených frekvencí mikrovlnného záření.
Atomové hodiny vylaďují frekvenci záření tak, aby maximalizovaly absorpci energie – tento jev bývá označován jako „rezonance“. Rezonance umožňuje křemíkovému oscilátoru, který je zodpovědný za generování mikrovln, udržovat takovou stabilitu, že se cesiové hodiny rozejdou o jednu sekundu za dlouhých 300 milionů let.
Použitím podobné techniky s výjimečně nízkou rezonancí mohou atomové hodiny na bázi stroncia dosáhnout ještě větší přesnosti. Proti skutečnému času se rozejdou o pouhou jednu sekundu za 15 miliard let, tedy za více než třikrát delší dobu, po kterou existuje naše planeta.
Je však třeba poznamenat, že metoda excitace elektronů má ve snaze o zvýšení přesnosti měření času určitá omezení. Vědci proto věnovali značné úsilí vývoji „jaderných“ hodin, které se zaměřují na energetické přechody v atomovém jádře, pracující pod atomovou orbitální hladinou, na níž se nacházejí elektrony.
Skandium jako klíč k vyšší přesnosti
Jak poznamenávají vědci, jaderné rezonance jsou podstatně přesnější, ale je výrazně náročnější jich dosáhnout. Skandium – silně elektropozitivní, stříbřitě bílý, měkký kov objevený v roce 1879 - je běžně dostupné buď ve formě čisté kovové fólie, nebo jako sloučenina oxidu skandičitého.
K posunu přispěly nedávné pokroky v laserové technologii, jako je European XFEL. Vědci využili toto zařízení k vystavení 0,025 milimetru tenké skandiové fólie rentgenovému laserovému záření, což vedlo k emisi „charakteristického dosvitu“ excitovaných atomových jader. Tento dosvit slouží jako důkaz výjimečně úzké rezonanční čáry skandia.
Po dosažení rezonanční excitace jader skandia a přesném změření jejich energie vědci plánují pro tyto ultra přesné časomíry řadu potenciálních aplikací. Podle odborníků by mohla být atomová rezonance skandia využita pro budoucí jaderné hodiny, stejně jako pro „ultravysoce přesnou spektroskopii“ nebo přesné měření základních fyzikálních jevů.
Skandiové jaderné hodiny mají potenciál přispět k výzkumu gravitační dilatace času na „submilimetrových vzdálenostech“, díky čemuž nabízejí nový prostředek ke zkoumání relativistických efektů v dosud nedostupných měřítkách.