Ompröva tid och rum – hur torium är på väg att spela en roll

Begreppet tid och rum har alltid fascinerat forskare. Allt vi ser omkring oss fungerar inom ett tidsmässigt och rumsligt ramverk. Albert Einstein sade berömt, “En människa är en del av helheten, som vi kallar ”Universum”, en del begränsad i tid och rum.” 

Men våra bedömningar av tid och rum har fortsatt att utvecklas i takt med framsteg inom vetenskapen och vår filosofiska förståelse av den.

En av de senaste tillskotten i detta evolutionära flöde, något som kan vara banbrytande eller revolutionerande, kommer från bidrag från en forsknings team lett av Prof. Thorsten Schumm från TU Wien (Wien). Förväntningarna är att denna forskning kan bana väg för revolutionerande högprecisions‑teknologier, inklusive nukleära klockor.

Atomkärna exciterad med laser: Det märkliga fallet med thoriumövergången

Den vetenskapliga gemenskapen har länge försökt uppnå ett mycket specifikt tillstånd av thoriumatomkärnor som skulle hjälpa till att bygga nukleära klockor som är mer förutseende i sin tidsmätning än de bästa tillgängliga atomklockorna idag. 

På en högre nivå skulle sådana minutiösa tidsmätningar hjälpa till att omvärdera de grundläggande påståendena inom teoretisk fysik, inklusive frågan om naturens konstanter: Är dessa konstanter heliga, eller förändras de i rum och tid?

För att mäta tid så exakt skulle det ha krävt kunskap om den exakta energin för att excitera thorium till dess atomära övergång. Tack vare den forskning vi diskuterar är den energin nu känd på exakt nivå. Därför är det för första gången möjligt att föra en atomkärna till ett högre energitillstånd med en laser och sedan följa dess återgång till ursprungstillståndet.

Detta fenomen är också en banbrytande prestation eftersom det är första gången två distinkta områden inom fysiken – kvantfysik och kärnfysik – kan kombineras till ett. Forskningen krävde utveckling av speciella thoriuminnehållande kristaller.

Sedan 1970-talet har forskare varit medvetna om möjligheten att en speciell atomkärna kan manipuleras med en laser. Men för att lyckas krävs kunskap om övergångens energi med extrem precision. Enligt Prof. Thorsten Schumm:

“Att känna till energin för denna övergång inom en elektronvolt är av liten nytta om du måste träffa rätt energi med en precision på en miljon del av en elektronvolt för att upptäcka övergången.”

För att lyckas med detta uppdrag, som då verkade nästan omöjligt, utvecklade teamet kristaller som innehåller ett stort antal thoriumatomer.

Fabian Schaden, forskaren som ansvarade för designen av dessa kristaller i Wien, hade följande att säga för att förklara de involverade komplexiteterna:

“Även om detta är tekniskt ganska komplext har det fördelen att vi inte bara kan studera enskilda thoriumkärnor på detta sätt utan även kan träffa ungefär tio till sjunde potensen thoriumkärnor samtidigt med lasern – ungefär en miljon gånger fler än antalet stjärnor i vår galax.”

Närvaron av ett stort antal thoriumkärnor förstärkte effekten, minskade den nödvändiga mättiden och ökade chansen att faktiskt hitta energiovergången.

Hur viktig var denna genombrott? Enligt Thorsten Schumm:

“För oss är detta en dröm som blir sann.” Han fortsatte med att säga, “Vi är glada att vi nu är de som kan presentera det avgörande genombrottet: den första riktade laserexciteringen av en atomkärna.”

Klicka här för listan över de fem bästa kärnaktierna att investera i.

Effekten av framgång på begreppen tid och rum

Den framgång som uppnåtts i denna forskning skulle leda till mer sofistikerade precisionsinstrument. Klockorna kommer att använda svängningen av ljuset som aktiverar thoriumövergången för att bli nya varianter som kan vara mer precisa än de bästa atomklockorna som finns idag.

Fenomenet kan också hjälpa till att analysera jordens gravitationsfält mer exakt, vilket kan hjälpa till att lokalisera mineralresurser och indikera förestående jordbävningar med ökad precision.

Forskarna är ännu inte säkra på hela spektrumet av tillämpningsmöjligheter, men de är övertygade om att potentialen kan vara obegränsad. I Thorsten Schumms ord:

“Vår mätningsmetod är bara början. Vi kan ännu inte förutsäga vilka resultat vi kommer att uppnå med den. Det kommer definitivt att bli mycket spännande.”

Denna forskning kan gynna företag som utvecklar sofistikerade precisionsklockor avsevärt. Nedan följer ett par sådana företag.

#1. Microsemi

Microsemi är globalt känt för sina atomklocksförmågor. Dessa är klockor vars elektriska oscillator regleras av de naturliga vibrationsfrekvenserna i ett atomärt system, vilket kan vara cesiumatomstrålar, ammoniakatomer eller rubidium.

Microsemis atomklockor är kända för att leverera mer än 90 % av ingången till Universal Coordinated Time (UTC). Det är också världens enda kommersiella leverantör av cesiumstrålrörsklockor, som finns i nationella laboratorier runt om i världen.

Företaget positionerar sig som den ledande leverantören av gascell-atomklockor, inklusive Chip Scale Atomic Clock (CSAC), världens minsta och mest energisnåla atomklocka, samt Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi säger att deras cesiumatomklockor är särskilt användbara inom kommunikation. Dessa klockor kan mycket effektivt stödja GNSS/GPS-teknik för frekvens-, tids- och fasapplikationer.

Cesium presterar med en avvikelse från UTC på 1×10⁻¹² noggrannhet. Det gör en cesiumklocka kapabel att stödja GNSS/GPS utan försämring i prestanda för frekvensapplikationer. Den möjliggör holdover‑läge för drift av tid och fas.

Med framgången för forskningen om ‘thoriumövergången’ har Microsemi nu resurserna att utveckla en mer exakt och finjusterad klocka.

Sammanfattningsvis är Microsemi Corporation ett helägt dotterbolag till Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). Under räkenskapsåret 2023 registrerade Microchip nettoförsäljning på mer än 8,4 miljarder US‑dollar. År 2023 återbetalade företaget 1,64 miljarder dollar till sina aktieägare jämfört med 0,9 miljarder dollar som återbetalas under räkenskapsåret 2022.

#2. General Atomics

I oktober 2021 deklarerade General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) att de hade slutfört NASA:s Jet Propulsion Laboratory Deep Space Atomic mission. Enligt presidenten för GA-EMS, Scott Forney:

“Framgången med DSAC-missionen ombord på OTB banar väg för framtida insatser att utveckla kritiska rymdbaserade teknologier och få dem i omloppsbana med pålitliga, robusta satellitdesigner.”

DSAC var en miniaturiserad, extremt precis kvicksilverjon-atomklocka. Enligt General Atomics bedömning visade den en avsevärt förbättrad tidsstabilitet jämfört med andra atomklockor i drift på GPS-satelliter. Den kunde mäta tid konsekvent under långa perioder och stödja navigering och utforskning i djup rymd.

Det är förståeligt att General Atomics är ett företag som skulle ha stor nytta av forskningen om ‘Thorium Transition’.

I grunden är General Atomics ett försvars- och diversifierat teknikföretag. År 2023 hade företaget en omsättning på US$3.1 billion.

Medan den nukleära klockan handlar om att gå mot ännu större precision har forskare fortsatt att utveckla lösningar som gett upphov till en ny generation av atomklockor. I ett sådant experiment vid European XFEL röntgenlaser utnyttjade forskarna grundämnet skandium.

En högprecisions atomklocka: Utnyttjande av skandium för extremt höga noggrannhetsstandarder

Forskarna utnyttjade skandium för att uppnå en noggrannhet på en sekund på 300 miljarder år, vilket är tusen gånger mer exakt än de nuvarande standarderna för atomklockor baserade på cesium.

Precis som thoriumövergången som vi diskuterade i början kunde forskarna vid European XFEL excitera en lovande övergång i skandiums kärna. Skandium finns lättillgängligt som högren metallfolie eller som föreningen skandiumdioxid. Den energi som krävs för att exakt excitera det för detta ändamål kräver röntgenstrålar med en energi på 12,4 kiloelectronvolt (keV), ungefär 10 000 gånger energin i synligt ljus.

Den har en bredd på endast 1,4 femtoelektronvolt (eV) och 1,4 kvadriljondelar av en elektronvolt, vilket är ungefär en tiondel av en biljondel av excitationsenergin (10⁻¹⁹). Detta bidrog till att nå en noggrannhet på 1:10 000 000 000 000, motsvarande en sekund på 300 miljarder år.

När de förklarade de potentiella fördelarna med denna forskning och dess framgång kunde forskarna påpeka många saker. Till exempel kan atomklockor med förbättrad noggrannhet hjälpa satelliter att positioneras mer exakt. Forskarna betonade också potentialen för atomklockan som en vägöppnare för framtida nukleära klockor.

Enligt experimentets projektledare, Yuri Shvyd’ko från Argonne National Laboratory i USA:

“Genombrottet i resonant excitering av skandium och den precisa mätningen av dess energi öppnar nya vägar inte bara för nukleära klockor utan också för ultrahögprecisionsspektroskopi och precisionsmätning av grundläggande fysiska effekter.”

När hon utvecklade den potential som denna forskning hade, sade Olga Kocharovskaya från Texas A&M University i USA, initiatör och projektledare, följande:

“Till exempel skulle en så hög noggrannhet kunna möjliggöra att gravitationell tidsdilatation undersöks på submillimeternivå. Detta skulle möjliggöra studier av relativistiska effekter på längdskalor som hittills varit otillgängliga.”

Sammanfattningsvis hade denna innovation, precis som den vi läste om thoriumövergången, flera fördelar. På en nivå innebar dessa fördelar att fenomenet direkt kunde tillämpas för att skapa nya lösningar. På en annan nivå var fördelarna i form av nya öppnade horisonter. Inom teoretisk fysik skulle dessa nyöppnade vägar leda till mer effektiva lösningar.

Den precisionsklocka som utnyttjade strontium

Vi har redan undersökt hur thorium och skandium har använts för att ompröva tid och rum i minsta möjliga detalj. År 2022 utforskade forskare potentialen hos strontium i detta avseende.

Forskningen inkluderade en grupp amerikanska forskare. De påstod att de hade byggt en enhet som var 50 gånger mer exakt än sina atomklockspådragskamrater.

Enligt Jun Ye, som är knuten till National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder, kan klockan förutom sina precisionsfunktioner introducera upptäckter inom kvantmekanik och paradigm som styr dynamiken i den subatomära världen.

Lösningen utforskade framgångsrikt ljusnätverk, kända som optiska galler. Dessa galler kunde fånga atomer på ett ordnat sätt och hindra atomer från gravitationsinducerad fall eller rörelser som leder till förlust av noggrannhet. Den precisionsklocka bestod av 100 000 strontiumatomer. Varje atom lager på lager i en pannkaksliknande formation för att bilda en höjd på ungefär 1 millimeter.

När han förklarade de fascinerande egenskaperna hos klockan sade Ye:

“Rum och tid är sammankopplade. Och med så exakt tidsmätning kan du se hur rummet förändras i realtid – jorden är en livlig, levande kropp.”

Precis som de andra klockor vi har diskuterat hittills var Ye entusiastisk över denna klockas potential att inleda en helt ny era inom fysiken. Klockan kunde upptäcka tidsdifferenser över 200 mikrometer. Nedskalat till 20 mikrometer kunde den mer effektivt undersöka den inre dynamiken i den kvantiska världen.

Ompröva tid och rum med thorium och mer: Avslutande ord

Förutom att öppna nya dimensioner kring den temporala och rumsliga naturen i vårt universum tjänar dessa superprecisionsklockor många, många syften, inklusive förbättring av våra telekommunikations- och navigationssystem.

Enligt Andrew Ludlow, en fysiker från National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado:

“Det finns många tillämpningar [för klockor] som bara kräver riktigt god stabilitet, och sedan finns det en rad tillämpningar där bara stabilitet inte räcker, utan du också behöver noggrannhet.”

Dessa supersensitiva enheter kan mäta varje liten krusning genom rumtid. De kan upptäcka gravitationsvågor vid frekvenser som nästan är otillgängliga för våra konventionella lösningar. En högpresterande rumtidsmätningsenhet kan känna av de minsta gravitationsförändringarna som sker djupt under jordytan för att indikera signalförhållanden som föregår en jordbävning eller vulkanutbrott.

Sammanfattningsvis är möjligheterna obegränsade, och forskare kan i framtiden upptäcka fler element som thorium, skandium och strontium som kommer att revolutionera hur vi ser på rum och tid.

Klicka här för att ta reda på om warp drive är fiktion eller framtiden.