ทดลองนาฬิกาแกนอะตอมของจีน มีความเสถียรภาพเกินกว่าอุปกรณ์สองตัวแรกของโลกถึงหกเท่า

นาฬิกาแกนอะตอมทดลองของจีนได้กลายเป็นตัวเลือกที่มีความเสถียรภาพมากกว่าในอุปกรณ์ที่ทำงานอยู่สองตัวแรกของโลก นักวิจัยของมหาวิทยาลัย Tsinghua พบว่านาฬิกาของพวกเขามีความเสถียรภาพในการทำงานประมาณหกเท่าของระบบแข่งขันในกรุงเวียนนา นาฬิกาของทั้งสองทีมมีพื้นฐานมาจากแกนอะตอมของยูเรเนียม-229 ที่ถูกจับอยู่ในผลึก วิธีนี้ย้ายกลไกการจับเวลาจากอิเล็กตรอนไปสู่แกนอะตอม ผลลัพธ์นี้เป็นการก้าวหน้าอีกขั้นหนึ่งของประเภทใหม่ในการจับเวลาอย่างแม่นยำ นาฬิกาแกนอะตอมอาจให้วิธีใหม่แก่นักฟิสิกส์ในการทดสอบกฎข้อบังคับพื้นฐานของธรรมชาติ

ทีม Tsinghua พบว่าผลึกที่ผลิตแยกกันให้สัญญาณนาฬิกาที่เกือบจะเหมือนกัน ผลการวัดของพวกเขาตรงกันประมาณสามส่วนในสิบล้านล้าน สิ่งที่พบนี้บ่งชี้ว่าสัญญาณไม่ได้พึ่งพาผลึกชนิดใดชนิดหนึ่งเป็นพิเศษ ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับผลการวัดก่อนหน้านี้ของนักวิจัยที่ JILA ในรัฐโคโลราโด ดิง ชี-ชี้เอ็น ผู้รับผิดชอบการวิจัยของ Tsinghua กล่าวว่าผลลัพธ์นี้เสริมสร้าง論據สำหรับนาฬิกาแกนอะตอมที่สามารถทำซ้ำได้ นักวิจัยอาจมีวันนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้เป็นมาตรฐานเวลาที่ปฏิบัติจริงได้

ความเสถียรภาพและลักษณะสัญญาณของนาฬิกาแกนอะตอม

อย่างไรก็ตาม นาฬิกานี้ยังไม่ได้ถึงระดับความเสถียรภาพที่นาฬิกาอะตอมที่ดีที่สุดทำได้ นาฬิกาอะตอมได้กำหนดมาตรฐานการจับเวลาอย่างแม่นยำมาเป็นเวลา 70 ปี ที่ผ่านมา นาฬิกาอะตอมติดตามการเปลี่ยนแปลงของสถานะพลังงานของอิเล็กตรอน ในขณะที่นาฬิกาแกนอะตอมเฝ้าระวังการเปลี่ยนแปลงภายในแกนอะตอม ความแตกต่างนี้อาจมีความสำคัญเป็นพิเศษ เนื่องจากอิเล็กตรอนครอบครองพื้นที่ที่กว้างกว่าแกนอะตอมมาก ในขณะที่แกนอะตอมเล็กกว่าและแน่นกว่ามาก

ยูเรเนียม-229 ให้ข้อได้เปรียบที่หายากสำหรับการจับเวลาแบบแกนอะตอม แกนอะตอมของมันสามารถตอบสนองต่อแสงอัลตราไวโอเลต และพลังงานของมันสามารถถึงได้ด้วยเลเซอร์ปัจจุบัน แกนอะตอมส่วนใหญ่ต้องการพลังงานที่สูงกว่าเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่คล้ายกัน นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการใช้เลเซอร์ขับเคลื่อนยูเรเนียม-229 ในปี 2024 ระบบของ Tsinghua สร้างแสงอัลตราไวโอเลตโดยการทำให้ไออัดเยอรมาเนียมร้อนจนถึง 1,112 องศาฟาเรนไฮต์ นักวิจัยนำเส้นแสงไปสู่ผลึกขนาดเล็กที่มีการเจือจางยูเรเนียม ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าถั่วข้าวโพดหนึ่งเม็ด แต่บรรจุแกนอะตอมของยูเรเนียมประมาณหนึ่งพันล้านล้านตัว

อุปกรณ์นาฬิกาแกนอะตอมของกรุงเวียนนาใช้ผลึกที่บรรจุแกนอะตอมของยูเรเนียมประมาณ 200 เท่า นักวิจัยเปรียบเทียบสัญญาณของมันกับนาฬิกาอะตอมผ่านไฟเบอร์ออปติกยาว 6 ไมล์ นักวิจัยที่กรุงเวียนนาพบว่าสัญญาณของนาฬิกาเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามตำแหน่งที่เลเซอร์ผ่านผลึก ความผันผวนนี้ทำให้อุปกรณ์นี้เก็บเวลาได้ต่างกันเล็กน้อยในแต่ละวัน การปรับปรุงผลึกอาจช่วยให้นักวิจัยลดปัญหานี้ได้

การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้และความท้าทายของนาฬิกาแกนอะตอม

นาฬิกาแกนอะตอมสามารถตรวจจับปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ได้ เนื่องจากขนาดที่เล็กกว่าของแกนอะตอมอาจลดการรบกวนจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กภายนอก การรบกวนที่ลดลงอาจช่วยให้นาฬิกาแกนอะตอมบรรลุความแม่นยำที่สูงมากในที่สุด นาฬิกาแกนอะตอมยังช่วยให้นักวิจัยสืบสวนสารมืดได้ นักฟิสิกส์สามารถเปรียบเทียบนาฬิกาแกนอะตอมกับนาฬิกาอะตอม เพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของค่าคงที่ทางฟิสิกส์พื้นฐาน นักวิจัยที่กรุงเวียนนาได้ใช้นาฬิกาของพวกเขาในการค้นหาสารมืดแล้ว ซึ่งการทดลองนั้นไม่ได้สร้างหลักฐานของสารมืด

นักวิจัยยังคงเผชิญกับความท้าทายด้านวัสดุและวิศวกรรมที่สำคัญ ยูเรเนียม-229 หายากมาก จำกัดการทดลองออกแบบผลึกใหม่ ผลึกที่ดีกว่าสามารถกระจายยูเรเนียมได้สม่ำเสมอขึ้นและลดข้อบกพร่องภายใน เลเซอร์ที่มีพลังมากขึ้นก็สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพนาฬิกาได้เช่นกัน ปัจจุบัน ระบบที่ได้รับการสนับสนุนจากนาฬิกาอะตอมพึ่งพาการจับเวลาที่แม่นยำอย่างยิ่ง รวมถึงการนำทางด้วยดาวเทียม นาฬิกาแกนอะตอมต้องเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญจึงจะท้าทายระบบที่สร้างขึ้นแล้วเหล่านี้ได้ นักวิจัยหวังในที่สุดจะนำนาฬิกาแกนอะตอมออกสู่ภายนอกห้องปฏิบัติการเฉพาะทาง การออกแบบที่กะทัดรัดสามารถทำให้ความแม่นยำในการจับเวลาระดับสูงสุดใช้ได้กับแอปพลิเคชันที่กว้างขึ้น

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature

อนาคตของการพัฒนาและความท้าทายของเทคโนโลยีนาฬิกาแกนอะตอม

เทคโนโลยีนาฬิกาแกนอะตอมของจีนแสดงความเสถียรภาพที่โดดเด่น ซึ่งไม่เพียงแต่ผลักดันการพัฒนาการจับเวลาอย่างแม่นยำ แต่ยังอาจเปลี่ยนวิธีการวิจัยทางฟิสิกส์ เนื่องจากนาฬิกาแกนอะตอมสามารถลดการรบกวนภายนอก จึงมีศักยภาพที่จะเล่นบทบาทสำคัญในการวิจัยสารมืดและการทดสอบค่าคงที่ทางฟิสิกส์พื้นฐานในอนาคต อย่างไรก็ตาม ความหายากของยูเรเนียม-229 รวมถึงความท้าทายด้านวัสดุและวิศวกรรม ยังคงเป็นอุปสรรคหลัก หากสามารถเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ได้ นาฬิกาแกนอะตอมอาจแทนที่นาฬิกาอะตอมแบบดั้งเดิมในแอปพลิเคชันที่กว้างขึ้น นำมาสู่การบรรลุทางเทคโนโลยีที่ใหม่