Pierwsze zegary jądrowe tykają w kryształach z torem

W laboratorium Atominstitutu Politechniki Wiedeńskiej stoi zegar, w którym czas odmierza jądro atomu. Sercem urządzenia jest kryształ fluorku wapnia o średnicy trzech milimetrów. W jego siatce siedzą jądra toru-229. Laser świeci na nie ultrafioletem o długości fali 148 nanometrów, a elektronika co chwilę sprawdza, czy jądra wciąż pochłaniają to światło. Jeśli pochłaniają mniej, laser dostaje poprawkę.

Tak działa każdy zegar optyczny. Nowe jest to, że wzorcem nie są elektrony krążące wokół jądra, tylko samo jądro. Zespół Thorstena Schumma z TU Wien i Ekkeharda Peika z niemieckiego instytutu metrologii PTB opisał ten zegar 7 października w „Nature”. W tym samym numerze podobny zegar pokazał zespół Shiqiana Dinga z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie. Obie grupy pracowały niezależnie.

Na razie oba zegary chodzą gorzej niż najlepsze zegary atomowe. Fizycy czekali jednak na tę chwilę ponad dwadzieścia lat. Rozłóżmy wiedeńskie urządzenie na części.

Dlaczego jądro, a nie elektrony

Zegar atomowy to w gruncie rzeczy wahadło o niezwykle równym rytmie. Rolę wahadła pełni przeskok elektronu między dwoma poziomami energii w atomie. Światło lasera dopasowuje się do tego przeskoku i drga z jego częstotliwością. Licznik zlicza te drgania i z nich powstaje sekunda.

Elektrony mają jednak wadę. Są czułe na otoczenie: na pola elektryczne i magnetyczne, na ciepło, na sąsiednie atomy. Dlatego w najlepszych zegarach optycznych pojedyncze atomy lub jony trzyma się w próżni, w pułapkach z pól i laserów.

Jądro atomu jest około stu tysięcy razy mniejsze od całego atomu i dużo słabiej reaguje na zakłócenia. Kłopot polega na tym, że przeskoki w jądrach wymagają zwykle ogromnych energii. Do takich przejść nie ma laserów.

Tor-229 jest wyjątkiem, jedynym znanym. Jego jądro ma stan wzbudzony o energii zaledwie około 8,4 elektronowolta. Odpowiada to ultrafioletowi próżniowemu, czyli światłu, które da się wytworzyć laserem. W 2003 roku Ekkehard Peik i Christian Tamm z PTB zaproponowali, żeby zbudować na tym przejściu zegar.

Dalsza droga była długa. Pierwsze ślady tego stanu fizycy zauważyli już w 1976 roku. Jego istnienie potwierdzono w 2016 roku, a światło wysyłane przez wzbudzone jądra po raz pierwszy zarejestrowano w 2022 roku. W 2024 roku zespół z Wiednia i PTB wzbudził jądra toru laserem. Brakowało ostatniego kroku: zegara, w którym to jądro samo steruje laserem.

Część pierwsza: kryształ

W najlepszych zegarach atomowych jest jeden jon albo kilka tysięcy atomów. W Wiedniu jądra toru siedzą w niepozornym krysztale w temperaturze pokojowej. W wiązce lasera jest ich około 10 do potęgi 16, czyli dziesięć milionów miliardów. Tak duża liczba daje silny sygnał.

Kryształ nie ma nawet aktywnej regulacji temperatury. Jego temperatura wahała się o pół stopnia wokół 21,5 stopnia Celsjusza. Zegarowi to nie przeszkadzało. Przejście, które wybrali fizycy, przesuwa się o 1,8 kiloherca na każdy stopień. Przy częstotliwości rzędu dwóch biliardów herców to bardzo mało.

Tor-229 sam w sobie jest rzadkim towarem. Wiedeńczycy dostali go z Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych, za pośrednictwem amerykańskiego programu izotopów.

Część druga: laser na 148 nanometrów

Światło o długości fali 148 nanometrów pochłania powietrze, a większość materiałów optycznych go nie przepuszcza. Dlatego kryształ i detektor siedzą w komorze próżniowej.

Lasery, które świecą takim światłem w sposób ciągły, powstały dopiero w 2025 roku. Wiedeński układ zaczyna od lasera podczerwonego o długości fali 1187 nanometrów. Jego częstotliwość najpierw rośnie czterokrotnie. Ostatnie podwojenie robi kryształ tetraboranu strontu. Do detektora za próbką dociera 65 pikowatów ultrafioletu. To bardzo mało. Jądra toru pochłaniają z tego 0,75 procent.

Zespół z Pekinu wybrał inną drogę. Ultrafiolet powstaje u nich w parach kadmu podgrzanych do 600 stopni. Proces nazywa się mieszaniem czterofalowym. Daje on 10 mikrowatów ciągłego ultrafioletu.

Część trzecia: pętla, która trzyma laser na kursie

Zegar to nie tylko laser, który trafia w przejście. To laser, który z niego nie schodzi. W Wiedniu krótkoterminową stabilność daje wnęka optyczna, czyli para luster, między którymi światło odbija się tysiące razy. Wnęka jednak powoli dryfuje. Bez korekty laser odjechałby od jądrowego rezonansu.

Korektę zapewnia pomiar pochłaniania. Fotopowielacz za kryształem liczy fotony, które przeszły przez próbkę. Elektronika przestawia laser na przemian trochę powyżej i trochę poniżej szczytu absorpcji. Z różnicy sygnałów wie, w którą stronę uciekł. Każda poprawka trwa około sekundy.

To ważne, bo wzbudzone jądro toru w krysztale żyje około dziesięciu minut. Wcześniejsze pomiary czekały, aż jądra wyświecą pochłoniętą energię. Pomiar pochłaniania pozwala reagować od razu. Zespół testował dwa rytmy pracy: poprawkę co 20 sekund i co 30 minut.

Sprawdzian: doba obok zegara iterbowego

Każdy nowy zegar trzeba z czymś porównać. Wiedeński zegar jądrowy połączono stabilizowanym światłowodem z zegarem jonowym na pojedynczym jonie iterbu. Ten zegar stoi w austriackim urzędzie miar BEV.

Zegar jądrowy pracował dobę bez ingerencji człowieka. Jego niestabilność względna zbliżyła się w tym czasie do jednej biliardowej, czyli 10 do potęgi minus 15. W uproszczeniu to rozrzut rzędu sekundy na 30 milionów lat. Najlepsze zegary atomowe na elektronach są dziś wyraźnie stabilniejsze. Autorzy przyznają to wprost.

Pojawił się też kłopot. Wyniki z różnych dni zgadzały się gorzej niż w obrębie jednego dnia. Za każdym razem laser trzeba ustawiać od nowa i wiązka o średnicy pół milimetra trafia w trochę inne miejsce kryształu. Fizycy sprawdzili to, przesuwając kryształ celowo. W różnych punktach środek linii różnił się nawet o 1,7 kiloherca. Podejrzewają naprężenia w krysztale. Lepiej hodowane kryształy i stała droga wiązki mają ten problem zmniejszyć.

Pekin w tym samym numerze

Zespół z Tsinghua osiągnął przy tym samym czasie uśredniania niestabilność około sześciu razy mniejszą. Pomógł znacznie mocniejszy laser. Ciekawszy jest jednak inny wynik. Chińscy fizycy wyhodowali własny kryształ z roztworu zawierającego zaledwie 1,4 mikrograma toru-229. Porównali dwa niezależnie zrobione kryształy. Częstotliwość przejścia zgadzała się w nich z dokładnością do 10 do potęgi minus 13. Zgadzała się też z wcześniejszymi pomiarami innych grup.

To odpowiedź na pytanie, które wisiało nad całą dziedziną. Wzorzec czasu musi dać się odtworzyć. Jeśli każdy kryształ tykałby inaczej, z zegara jądrowego nie byłoby pożytku.

Obie grupy nie mówią więc dokładnie tego samego. Wiedeń pokazał długą, samodzielną pracę i porównanie z zegarem państwowego urzędu miar. Pekin pokazał lepszą stabilność i powtarzalność między kryształami.

Ciemna materia w kryształku

Po co komu zegar gorszy od istniejących? Odpowiedź leży w fizyce samego jądra. Energia stanu wzbudzonego toru-229 jest mała przez przypadek. Powstaje jako różnica dwóch ogromnych wkładów: elektromagnetycznego i jądrowego, każdy rzędu milionów elektronowoltów. Prawie się znoszą.

Skutek jest taki, że przejście w torze reaguje bardzo silnie na każdą zmianę stałych przyrody. Według teoretyków o kilka rzędów wielkości silniej niż przejścia w zegarach atomowych. Część hipotez o ciemnej materii przewiduje właśnie takie zmiany. Lekkie cząstki ciemnej materii mogłyby powodować drobne, okresowe wahania wartości tych stałych.

Wiedeński zespół przeszukał dobę danych pod tym kątem. Nie znalazł żadnego sygnału. Dla sprzężenia z fotonami nowe ograniczenia są podobne do tych z najlepszych zegarów atomowych. Dla oddziaływań silnych i mas kwarków zegar jądrowy sięgnął od dziesięciu do tysiąca razy głębiej niż wcześniejsze eksperymenty. Fizycy szukali też powolnego dryfu. Wyszedł zgodny z zerem.

Co tu jest twarde, a co jeszcze nie

Twarde są trzy rzeczy. Jądro atomu po raz pierwszy steruje laserem w zamkniętej pętli. Działa to w krysztale w temperaturze pokojowej, bez pułapek na pojedyncze atomy. Dwa niezależne zespoły doszły do tego samego wyniku różnymi metodami.

Niepewne jest wszystko, co dotyczy przewagi nad zegarami atomowymi. Ta przewaga to na razie obietnica. Autorzy wyliczają, co da się poprawić. Mocniejszy laser ultrafioletowy, wyższe stężenie toru i węższa linia w krysztale mogą obniżyć niestabilność o kilka rzędów wielkości. Nikt jeszcze tego nie pokazał.

Nieznane są także dokładne współczynniki czułości toru na zmiany stałych przyrody. Teoretycy nie potrafią ich na razie policzyć, bo brakuje danych o strukturze jądra. Pomiary ciemnej materii podają więc wyniki dla kilku założonych wartości.

Warstwa biznesowa: lasery, izotop i zastosowania

Zegar jądrowy nie jest dziś produktem. Ma jednak już dostawców. Wiedeński zespół dziękuje za ponad dziesięć lat współpracy niemieckiej firmie Toptica Photonics, producentowi laserów. Ciągłe lasery na ultrafiolet próżniowy to wciąż sprzęt eksperymentalny. Autorzy wskazują, że kolejny skok mocy mogą dać dostępne komercyjnie lasery ultrafioletowe o mocy trzech watów.

Drugim wąskim gardłem jest izotop. Tor-229 powstaje z rozpadu uranu-233 i nie kupuje się go w sklepie. Chiński wynik z 1,4 mikrograma pokazuje jednak, że do jednego kryształu wystarczą śladowe ilości.

Zastosowania są na razie dwojakie. Pierwsze to fizyka podstawowa: poszukiwanie ciemnej materii i zmienności stałych przyrody. Drugie jest bardziej przyziemne. Zegar w krysztale, bez próżniowych pułapek na atomy, może kiedyś stać się małym i odpornym wzorcem czasu. Taki wzorzec przydałby się w sieciach telekomunikacyjnych, w energetyce i w nawigacji, gdy sygnał satelitarny jest zagłuszany. Zegary pomagają też w geodezji. Wśród współautorów wiedeńskiej pracy są geodeci z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze. To jednak plan na lata, nie oferta.

Projekt finansowała m.in. Europejska Rada ds. Badań Naukowych. Część pracy powstała w Europejskim Partnerstwie Metrologicznym, współfinansowanym przez Unię Europejską.

Polska: zegary z Torunia

Polska ma w tej dziedzinie mocną pozycję wyjściową. W Krajowym Laboratorium FAMO w Toruniu działają optyczne zegary strontowe. W 2015 roku zespół fizyków z Torunia, Krakowa i Warszawy opisał w „Scientific Reports” pomiar częstotliwości zegarowej strontu na dwóch takich zegarach. Wynik porównano z lokalną realizacją czasu UTC przez stabilizowane łącze światłowodowe długości 330 kilometrów.

To dokładnie te kompetencje, których wymaga zegar jądrowy: stabilne lasery, grzebienie częstotliwości i przesyłanie wzorca światłowodem. Wiedeński zespół zrobił porównanie z urzędem miar BEV właśnie przez światłowód. Wśród instytucji współautorów jest też Instytut Przyrządów Naukowych Czeskiej Akademii Nauk w Brnie. Europa Środkowa jest więc już w tym projekcie.

Polskie zespoły mogą wejść do tej gry na dwa sposoby. Mogą porównywać zegary jądrowe z własnymi wzorcami przez sieć światłowodową. Mogą też pracować nad kryształami i laserami ultrafioletowymi, gdzie wciąż brakuje dojrzałych rozwiązań.

TRL 3: dlaczego nie wyżej

Mamy działający układ laboratoryjny. Pętla sprzężenia zwrotnego zamyka się na przejściu jądrowym, a zegar przepracował dobę. To poziom gotowości technologicznej 3, czyli eksperymentalny dowód koncepcji. Do poziomu 4 brakuje lepszej powtarzalności między dniami i między kryształami w jednym urządzeniu. Brakuje też stabilności, która dorówna zegarom atomowym. O przenośnym zegarze jądrowym nie ma jeszcze mowy.

Fizycy czekali na ten zegar od propozycji Peika i Tamma z 2003 roku. Teraz tyka w dwóch laboratoriach naraz. Najbliższe lata pokażą, czy pokona zegary na elektronach.

Bibliografia

1. Toscani De Col L., Riebner T., Morawetz I. i in. (w tym Peik E., Schumm T.). A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop. Nature (2026), opublikowano 7 października 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4
2. Huang B., Yan G., Xiao Q. i in. (w tym Ding S.). A nuclear clock synchronized to 229Th. Nature (2026), opublikowano 7 października 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1
3. Peik E., Tamm C. Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in Th-229. Europhysics Letters (2003). DOI: 10.1209/epl/i2003-00210-x
4. Kroger L., Reich C. Features of the low-energy level scheme of 229Th as observed in the α-decay of 233U. Nuclear Physics A (1976). DOI: [10.1016/0375-9474(76)90494-2](https://doi.org/10.1016/0375-9474(76)90494-2)
5. von der Wense L. i in. Direct detection of the 229Th nuclear clock transition. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature17669
6. Kraemer S. i in. Observation of the radiative decay of the 229Th nuclear clock isomer. Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05894-z
7. Tiedau J. i in. Laser excitation of the Th-229 nucleus. Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.182501
8. Morzyński P., Bober M., Bartoszek-Bober D. i in. Absolute measurement of the 1S0 − 3P0 clock transition in neutral 88Sr over the 330 km-long stabilized fibre optic link. Scientific Reports (2015). DOI: 10.1038/srep17495
9. Nuclear clocks tick for the first time. Nature (2026). DOI: 10.1038/d41586-026-03060-9