Vurderer tid og rom på nytt – Hvordan thorium er satt til å spille en rolle

Konseptet tid og rom har alltid fascinert forskere. Alt vi ser rundt oss fungerer innenfor en tidsmessig og romlig ramme. Albert Einstein sa berømt, “Et menneske er en del av helheten, som vi kaller \”Universet\”, en del begrenset i tid og rom.” 

Imidlertid har våre vurderinger av tid og rom fortsatt utviklet seg med fremskritt oppnådd innen vitenskap og vår filosofiske forståelse av den. 

En av de nyeste tilskuddene til denne evolusjonsstrømmen, noe som kan være spillendrende eller revolusjonerende, kommer fra innspill fra en forskning teamet ledet av Prof. Thorsten Schumm fra TU Wien (Wien). Forventningen er at denne forskningen kan bane vei for revolusjonerende høypresisjonsteknologier, inkludert nukleære klokker. 

Atomkjerne eksitert med laser: Det gåtefulle tilfellet med thoriumovergang

Det vitenskapelige fellesskapet har lenge forsøkt å oppnå en svært spesifikk tilstand av thoriumatomkjerner som vil bidra til å bygge nukleære klokker som er mer forutseende i sin tidsmåling enn de beste tilgjengelige atomklokkene i dag. 

På et høyere nivå vil slike minuttemålinger hjelpe med å revurdere de grunnleggende påstandene i teoretisk fysikk, inkludert spørsmålet om naturkonstantene: Er disse konstantene hellige, eller endrer de seg i rom og tid? 

For å måle tid så nøyaktig ville det ha krevd kunnskap om den eksakte energien som trengs for å eksitere thorium til punktet for dens atomovergang. Takket være forskningen vi diskuterer, er den energien nå kjent på nøyaktige nivåer. Derfor er det for første gang mulig å overføre en atomkjerne til en høyere energitilstand gjennom en laser og deretter spore dens tilbakevending til den opprinnelige tilstanden. 

Dette fenomenet er også en banebrytende prestasjon ved at det er første gang to ulike områder av fysikk – kvantefysikk og kjernefysikk – kan kombineres til ett. Forskningen krevde utvikling av spesielle thoriumholdige krystaller. 

Siden 1970-tallet har forskere vært klar over muligheten for en spesiell atomkjerne som kunne manipuleres med en laser. Imidlertid krever suksess å kjenne energien til overgangen med ekstrem presisjon. Ifølge Prof. Thorsten Schumm:

«Å kjenne energien til denne overgangen innenfor én elektronvolt er av liten nytte hvis du må treffe den riktige energien med en presisjon på en milliontedel av en elektronvolt for å oppdage overgangen.» 

For å lykkes med dette oppdraget, som på den tiden virket nesten umulig, utviklet teamet krystaller som inneholder et stort antall thoriumatomer. 

Fabian Schaden, forskeren som var ansvarlig for å designe disse krystallene i Wien, hadde følgende å si for å forklare de involverte kompleksitetene:

 «Selv om dette er teknisk ganske komplekst, har det fordelen at vi ikke bare kan studere individuelle thoriumkjerner på denne måten, men kan treffe omtrent ti til tiende potens 17 thoriumkjerner samtidig med laser – omtrent en million ganger flere enn antall stjerner i vår galakse.» 

Tilstedeværelsen av et stort antall thoriumkjerner forsterket effekten, reduserte den nødvendige målingstiden og økte sjansen for faktisk å finne energiovergangen. 

Hvor viktig var dette gjennombruddet? Ifølge Thorsten Schumm:

«For oss er dette en drøm som går i oppfyllelse.» Han fortsatte med å si, «Vi er glade for at vi nå er de som kan presentere det avgjørende gjennombruddet: Den første målrettede lasereksitasjonen av en atomkjerne.» 

Klikk her for listen over de fem beste nukleære aksjene å investere i.

Innvirkningen av suksess på konseptene tid og rom

Suksessen oppnådd i denne forskningen vil føre til mer sofistikerte presisjonsinstrumenter. Klokkene vil bruke oscillasjonen av lyset som aktiverer thoriumovergangen til å bli nye varianter som kan være mer presise enn de beste atomklokkene som er tilgjengelige i dag. 

Fenomenet kan også bidra til å analysere jordens gravitasjonsfelt mer presist, noe som kan hjelpe med å lokalisere mineralressurser og indikere forestående jordskjelv med økt presisjon. 

Forskerne er ennå ikke sikre på hele spekteret av anvendelsesmuligheter, men de er sikre på at potensialet kan være grenseløst. I Thorsten Schumms ord:

«Vår målemetode er bare begynnelsen. Vi kan ennå ikke forutsi hvilke resultater vi vil oppnå med den. Det vil helt sikkert bli veldig spennende.»

Denne forskningen kan i stor grad gagne bedrifter som utvikler sofistikerte presisjonsklokker. Nedenfor er et par slike selskaper. 

#1. Microsemi

Microsemi er globalt kjent for sine atomklokkekapasiteter. Dette er klokker der den elektriske oscillator er regulert av de naturlige vibrasjonsfrekvensene til et atomsystem, som kan være cesiumatomstråler, ammoniakatomer eller rubidium. 

Microsemis atomklokker er kjent for å tilby mer enn 90 % av innputtet til Universal Coordinated Time (UTC). Det er også verdens eneste kommersielle leverandør av cesiumstråle‑rørklokker, som finnes i nasjonale laboratorier over hele verden.

Selskapet posisjonerer seg som den ledende leverandøren av gasscelle‑atomklokker, inkludert Chip Scale Atomic Clock (CSAC), verdens minste og lavest‑energikrevende atomklokke, samt Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi sier at deres cesium‑atomklokker er spesielt nyttige i kommunikasjon. Disse klokkene kan svært effektivt støtte GNSS/GPS‑teknologi for frekvens-, tids- og faseapplikasjoner. 

Cesium opererer med en avvik fra UTC på 1×10⁻¹² nøyaktighet. Det gjør en cesiumklokke i stand til å støtte GNSS/GPS uten ytelsesnedgang for frekvensapplikasjoner. Den muliggjør holdover‑modus for drift for tids‑ og faseapplikasjoner.

Imidlertid, med suksessen til ‘thoriumovergang’-forskningen, har Microsemi nå ressursene til å utvikle en mer nøyaktig og finjustert klokke. 

Alt i alt er Microsemi Corporation et heleid datterselskap av Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). I regnskapsåret 2023, Microchip registrerte nettoomsetning på mer enn US$8.4 billion. In FY 2023, the company returned $1.64 billion to its stockholders compared to $0.9 billion that it returned in fiscal 2022.

#2. General Atomics

I oktober 2021 kunngjorde General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) at de hadde fullført NASA’s Jet Propulsion Laboratory Deep Space Atomic-misjonen. Ifølge presidenten for GA-EMS, Scott Forney:

«Suksessen med DSAC-misjonen ombord på OTB baner vei for fremtidige innsats for å videreutvikle kritiske rombaserte teknologier og få dem i bane med pålitelige, robuste satellittdesign.»

DSAC var en miniaturisert, ekstremt presis kvikksølv‑ion‑atomklokke. Ifølge General Atomics’ vurdering demonstrerte den betydelig forbedret tidsstabilitet sammenlignet med andre atomklokker i drift på GPS‑satellitter. Den kunne måle tid konsistent over lange perioder og støtte navigasjon og utforskning i dyp rom.

Det er forståelig at General Atomics er et selskap som vil ha stor nytte av ‘Thorium Transition’-forskningen. 

I kjernen er General Atomics et forsvars- og diversifisert teknologiselskap. I 2023 oppnådde selskapet en inntekt på US$3.1 billion. 

Mens den nukleære klokken handler om å gå mot mer presisjon, har forskere fortsatt utviklet løsninger som har født en ny generasjon av atomklokker. I et slikt eksperiment ved European XFEL røntgenlaser utnyttet forskerne elementet skandium. 

En svært presis atomklokke: Utnyttelse av skandium for ekstremt høye nøyaktighetsstandarder

Forskerne utnyttet skandium for å oppnå en nøyaktighet på ett sekund i 300 milliarder år, noe som er tusen ganger mer presist enn de nåværende standardene for atomklokker basert på cesium.

Akkurat som thoriumovergangen vi diskuterte i begynnelsen, kunne forskerne ved European XFEL eksitere en lovende overgang i kjernen av skandium. Skandium er lett tilgjengelig som høyrent metallfolie eller som forbindelsen skandiumdioksid. Den nødvendige energien for nøyaktig eksitasjon til dette formålet krevde røntgenstråler med en energi på 12.4 kiloelektronvolt (keV), omtrent 10,000 ganger energien til synlig lys. 

Den har en bredde på kun 1.4 femto‑elektronvolt (eV) og 1.4 kvadrilliondel av en elektronvolt, som er bare omtrent en tidel av en billiondel av eksitasjonsenergien (10-19). Den bidro til å oppnå en nøyaktighet på 1:10,000,000,000,000, tilsvarende ett sekund i 300 milliarder år.

Når de forklarte de potensielle fordelene med denne forskningen og dens suksess, kunne forskerne påpeke mange ting. For eksempel kan atomklokker med forbedret nøyaktighet hjelpe satellitter med å bli posisjonert mer presist. Forskerne fremhevet også potensialet til atomklokken som en veiåpner for fremtidige nukleære klokker. 

Ifølge eksperimentets prosjektleder, Yuri Shvyd’ko ved Argonne National Laboratory i USA:

«Gjennombruddet i resonant eksitasjon av skandium og den presise målingen av energien åpner nye veier ikke bare for nukleære klokker, men også for ultrahøy‑presisjons‑spektroskopi og presisjonsmåling av fundamentale fysiske effekter.»

Når hun utdypet potensialet som denne forskningen hadde, hadde Olga Kocharovskaya fra Texas A&M University i USA, initiativtaker og leder av prosjektet, følgende å si:

«For eksempel kan en så høy nøyaktighet tillate at gravitasjons‑tidsdilatasjon undersøkes på sub‑millimeter avstander. Dette vil tillate studier av relativistiske effekter på lengdeskalaer som hittil har vært utilgjengelige.» 

Oppsummert hadde denne innovasjonen, lik den vi leste om thoriumovergangen, flere fordeler. På ett nivå betydde disse fordelene en direkte anvendelse av fenomenet for å utvikle nye løsninger. På et annet nivå var fordelene i form av nye horisonter som ble åpnet. Innen teoretisk fysikk vil disse nyåpnede veiene resultere i mer effektive løsninger. 

Den presise klokken som utnyttet strontium

Vi har allerede sett på hvordan thorium og skandium har blitt brukt til å revurdere tid og rom i den minste grad. I 2022 utforsket forskere potensialet til strontium i denne sammenhengen. 

Forskningen inkluderte en gruppe amerikanske forskere. De hevdet å ha bygget en enhet som var 50 ganger mer presis enn sine atomklokke‑kolleger. 

Ifølge Jun Ye, tilknyttet National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder, kunne klokken, i tillegg til sine presisjonsfunksjoner, introdusere oppdagelser innen kvantemekanikk og paradigmer som styrer dynamikken i den subatomære verden. 

Løsningen utforsket vellykket lysets nettverk, kjent som optiske gitter. Disse gitterene kunne fange atomer på en ordnet måte og hindre at atomene faller eller beveger seg på grunn av gravitasjon, noe som fører til tap av nøyaktighet. Den presise klokken bestod av 100,000 strontiumatomer. Hver er lagdelt på den andre i en pannekakelignende form for å danne en høyde på omtrent 1 millimeter. 

Når han forklarte de fascinerende egenskapene ved klokken, sa Ye: 

«Rom og tid er sammenkoblet. Og med så presis tidsmåling kan du se hvordan rommet endrer seg i sanntid – Jorden er en levende, levende kropp.»

Som andre klokker vi har diskutert så langt, var Ye begeistret for denne klokkeens potensial til å innlede en helt ny æra innen fysikk. Klokken kunne oppdage tidsforskjeller over 200 mikrometer. Redusert til 20 mikrometer, kunne den mer effektivt undersøke de indre dynamikkene i den kvantemessige verden. 

Vurderer tid og rom med thorium og mer: Avsluttende ord

I tillegg til å åpne nye dimensjoner om den tidsmessige og romlige naturen i vårt univers, tjener disse superpresisjonsklokkene mange, mange formål, inkludert forbedring av våre telekommunikasjons- og navigasjonssystemer. 

Ifølge Andrew Ludlow, en fysiker fra National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado:

«Det finnes mange anvendelser [for klokker] som kun trenger virkelig god stabilitet, og så er det et spekter av anvendelser hvor bare stabilitet ikke er nok, og du også trenger nøyaktighet.»

Disse superfølsomme enhetene kan måle hver minste bølge gjennom rom‑tid. De kan oppdage gravitasjons‑bølger på frekvenser som nesten er utilgjengelige for våre konvensjonelle løsninger. En høyytelses rom‑tidsmåleenhet kan oppfatte de minste gravitasjonsendringene som skjer dypt under jordoverflaten for å indikere signalforhold som er forløpere til et jordskjelv eller vulkanutbrudd. 

Oppsummert er mulighetene grenseløse, og forskere kan oppdage flere elementer som thorium, skandium og strontium i de kommende dagene som vil revolusjonere måten vi ser rom og tid på. 

Klikk her for å lære om warp drive er fiksjon eller fremtiden.