Primele ceasuri nucleare funcționează la Viena și Beijing după 50 de ani de căutări

Un ceas nuclear, care măsoară timpul cu nucleul unui atom în loc de electronii săi, a început în sfârșit să ticăie. La Viena, un laser blocat pe nuclee de toriu sigilate în interiorul unui cristal și-a păstrat propriul ritm mai mult de o zi întreagă, fără ca nimeni să-l atingă, iar o echipă de la Beijing a construit un al doilea ceas de același tip, independent.

Acest lucru le face primele ceasuri nucleare funcționale, un dispozitiv după care fizicienii au alergat decenii întregi. Nucleul este minuscul și protejat de propriul nor de electroni, astfel încât câmpurile parazite, căldura și vibrațiile abia dacă ajung la el. Un ceas construit pe acesta ar putea într-o zi să măsoare timpul mai constant decât ceasurile atomice care conduc navigația prin satelit, internetul și definiția secundei.

Ceasul de la Viena provine de la grupul lui Thorsten Schumm de la TU Wien și de la grupul lui Ekkehard Peik de la PTB, institutul național de metrologie al Germaniei. Ceasul de la Beijing provine de la o echipă a Universității Tsinghua condusă de Shiqian Ding, care a lucrat cu alte 13 instituții chineze. Ambele articole au apărut în același număr al revistei Nature și ambele folosesc același izotop rar, toriu-229.

„Crearea unui ceas nuclear a fost ceva la care fizicienii au visat timp de aproape 50 de ani”, i-a spus Schumm lui Reuters. Propria sa echipă lucrează la acest lucru din 2008.

Cum un cristal și un laser măsoară timpul

Fiecare ceas are nevoie de ceva care oscilează la o frecvență fixă. Într-un ceas cu pendul, este pendulul. Într-un ceas atomic, este lumina pe care o absoarbe un electron când sare între două nivele energetice, care, în cele mai bune ceasuri atomice optice moderne, oscilează mult mai rapid decât orice componentă mecanică.

Un ceas nuclear mută această sarcină în nucleu. Protonii și neutronii au, de asemenea, nivele energetice, dar aproape toate sunt mult prea sus pentru a fi atinse de orice laser. Toriu-229 este excepția: nucleul său are o stare excitată suficient de joasă pentru a fi acționată de lumină ultravioletă în vid la o lungime de undă de aproximativ 148 de nanometri. Atingerea ei este totuși dificilă. Laserul trebuie să se potrivească cu energia tranziției la o precizie de o milionime de electronvolt, potrivit PTB.

Echipa lui Schumm a crescut cristale de fluorură de calciu dopate cu toriu-229, bucăți de dimensiuni milimetrice care conțin un număr imens de nuclee la temperatura camerei. „Ideea de bază este simplă: ai un laser și ai toriu”, a spus Schumm. Nucleele absorb lumina doar la o singură frecvență precisă. Dacă laserul derivă, de exemplu pentru că încăperea se încălzește ușor, cristalul absoarbe mai puțin, un detector înregistrează scăderea și o buclă de reacție readuce laserul la frecvența corectă. Nucleele devin referința, iar frecvența laserului corectată devine tic-tacul ceasului.

Două modificări tehnice au făcut acest lucru posibil. PTB și Institutul Max Born din Berlin au construit un laser compact în stare solidă care emite continuu; sistemul mai vechi ocupa câțiva metri pătrați de mese optice și emitea doar în impulsuri. Echipele au încetat, de asemenea, să numere strălucirea slabă pe care nucleele o emit după excitare, care dura aproximativ zece minute pentru a fi citită, mult prea lentă pentru a dirija un laser. În schimb, măsoară câtă putere laser absoarbe cristalul, un semnal suficient de rapid pentru a închide bucla.

Viena contra Beijing

Ceasul de la Viena a funcționat mai mult de 24 de ore nesupravegheat, fiind comparat cu un ceas atomic optic convențional. Instabilitatea sa fracționară a fost de aproximativ 3 × 10⁻¹² pe o secundă de mediere, iar această împrăștiere s-a redus la 10⁻¹⁵ pe parcursul unei zile. TU Wien traduce aceasta într-o eroare de aproximativ o secundă la 30 de milioane de ani, o cifră măsurată într-o cursă de o zi, nu observată pe parcursul a milioane de ani.

Ceasul de la Beijing este mai stabil pe durate scurte. Instabilitatea sa pe o secundă este de aproximativ șase ori mai mică decât cea a Vienei, conform cifrelor raportate de Physics World. Echipa lui Ding și-a construit propriul laser continuu la 148,4 nanometri, cu mai multă putere, și a învățat să cultive cristale mici din doar 1,4 micrograme de toriu-229, deoarece China are acces limitat la izotop. Două cristale crescute independent au dat aceeași frecvență de tranziție, care s-a potrivit și cu măsurătorile anterioare de la JILA din Colorado.

Schumm vede cele două rezultate ca fiind complementare. Cristalele de la Viena au o concentrație mai mare de toriu și proprietăți optice mai bune, i-a spus el Reuters, în timp ce echipa de la Beijing are laserul mai puternic. „Deci, doar prin punerea împreună a acestor componente, putem construi un ceas semnificativ mai bun”, a spus el.

„Cele două echipe au lucrat independent și au ajuns la ceasuri nucleare funcționale cu toriu-229 în același timp, folosind abordări experimentale diferite”, i-a spus Ding lui Reuters, adăugând că aceasta arată că „conceptul este robust.”

Ce nu fac încă aceste ceasuri

Niciunul dintre ceasuri nu bate ceasurile atomice cu care a fost măsurat. „Acesta nu este încă la nivelul celor mai bune ceasuri atomice optice din lume”, a spus Schumm. Peik a fost mai direct în anunțul PTB: stabilitatea „nu stabilește încă niciun record mondial.”

Cea mai mare diferență este claritatea rezonanței. „Am văzut acum o lățime de linie de 30 kHz, dar lățimea naturală a liniei ar trebui să fie mult sub 1 Hz”, i-a spus Peik revistei Physics World. O rezonanță neclară înseamnă un tic-tac neclar. Cristalul însuși face parte din puzzle: toriul se află în mai multe situri diferite în rețeaua de fluorură de calciu, iar echipele încă încearcă să înțeleagă cum modelează aceasta rezonanța. Ding a spus că cristalele gazdă de fluorură de calciu limitează performanța și că sunt necesare materiale gazdă mai bune.

Ambele mașini sunt, de asemenea, prototipuri de laborator. Ele depind de ceasuri de referință pentru comparație, de lasere ultraviolete personalizate și de un izotop greu de obținut. Un dispozitiv robust pe care o navă, un satelit sau un centru de date l-ar putea transporta este încă un drum lung de inginerie.

De ce fizicienii își doresc un ceas mai bun

Ceasurile decid deja mai mult din viața de zi cu zi decât observă majoritatea oamenilor. Navigația prin satelit calculează poziția din diferențe minuscule de sincronizare a semnalelor. Rețelele de date sunt sincronizate cu timpul atomic. Topografii și geofizicienii folosesc faptul că ceasurile ticăie cu viteze diferite la diferite înălțimi în gravitația Pământului.

Un ceas nuclear adaugă două lucruri. În primul rând, un design în stare solidă, fără atomi sau ioni captivi ținuți într-o cameră de vid, ar putea face în cele din urmă măsurarea precisă a timpului mai mică și mai rezistentă. În al doilea rând, tranziția toriului depinde de forțele din interiorul nucleului, astfel încât ar trebui să reacționeze mult mai puternic decât tranzițiile atomice dacă o constantă a naturii derivă sau dacă o formă de materie întunecată trage de materia obișnuită. Echipa de la Viena a efectuat deja acest test cu prototipul său. Nu a găsit niciun semnal de materie întunecată, dar limitele sale privind cuplarea materiei întunecate cu lumina și cu forța tare sunt deja comparabile cu cele stabilite de cele mai bune ceasuri atomice.

Victor Flambaum de la Universitatea din New South Wales, care nu a fost implicat, a numit dispozitivele „primele prototipuri de ceasuri nucleare.” Verdictul lui Schumm a fost mai larg: „Oferă acces la un întreg univers fizic nou.”

Întrebări frecvente despre ceasul nuclear

Ce este un ceas nuclear?

Un ceas nuclear măsoară timpul folosind o tranziție în interiorul unui nucleu atomic, în loc de o săritură între nivelele energetice ale electronilor. Un laser este acordat la frecvența exactă pe care o absoarbe nucleul, iar acea frecvență devine tic-tacul ceasului. Toriu-229 este singurul nucleu cunoscut cu o tranziție suficient de joasă în energie pentru a fi atinsă cu un laser.

Este un ceas nuclear radioactiv sau periculos?

Nu are nicio legătură cu fisiunea sau fuziunea și nu produce energie nucleară. Toriu-229 este un izotop radioactiv, dar ceasurile folosesc cantități infime din el blocate în interiorul unui cristal, iar laserul doar împinge nucleul într-o stare energetică puțin mai ridicată.

Este un ceas nuclear mai precis decât un ceas atomic?

Nu încă. Prototipurile de la Viena și Beijing sunt mai puțin stabile decât cele mai bune ceasuri atomice optice. Așteptarea este ca nucleul, fiind mult mai mic și mai bine ecranat decât învelișul de electroni, să permită în cele din urmă o performanță mai bună, odată ce laserele și cristalele se îmbunătățesc.

La ce ar putea fi folosite ceasurile nucleare?

Cercetătorii indică navigația prin satelit, sincronizarea rețelelor, topografia și fizica fundamentală. Deoarece tranziția toriului este extrem de sensibilă la forțele din interiorul nucleului, aceste ceasuri sunt, de asemenea, instrumente pentru căutarea materiei întunecate și a modificărilor constantelor naturii.

Lasere mai puternice, cristale mai bune, ioni individuali

Nucleul de toriu a fost excitat pentru prima dată cu un laser în aprilie 2024, de echipele lui Schumm și Peik, la decenii după ce Peik a propus principiul ceasului nuclear în 2003. În toamna aceea, configurația a fost conectată la un ceas atomic optic convențional. Ceasul auto-stabilizator de la Viena este descris într-un articol din Nature publicat pe 7 octombrie 2026, alături de articolul Universității Tsinghua în același număr și de un studiu însoțitor al PTB și TU Wien privind absorbția laserului continuu de către nucleul de toriu, publicat în Nature în septembrie.

Următorii pași sunt concreți. Grupul lui Peik plănuiește să crească puterea laserului, să îmbunătățească raportul semnal-zgomot al detectorului și să cartografieze modul în care toriul se află în cristal pentru a afla ce estompează rezonanța. Echipa lui Ding caută cristale gazdă mai bune decât fluorura de calciu și este interesată de un ceas construit pe ioni de toriu individuali captivi, pe care Ding l-a numit „mult mai dificil din punct de vedere tehnic”, dar posibil ruta către cea mai mare precizie.

Referințe: Toscani De Col et al., „A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., „A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Etichete: știri, fizică, ceas atomic, ceas nuclear, PTB, thorium-229