Kerneuret kan slå atomuret i nøjagtighed og stabilitet
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Teknologiens Mediehus kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Kerneuret kan slå atomuret i nøjagtighed og stabilitet

Illustration: Physikalisch-­Technische Bundesanstalt

Atomure er ultrapræcise tidsmålere. De er uundværlige for moderne satellitbaserede navigationssystemer og har siden 1967 været grundlag for definitionen af sekundet.

I laboratorierne er de bedste af dem så stabile, at det svarer til, at de kun taber eller vinder et sekund over et tidsrum, der er længere end universets alder.

Læs også: Japansk strontium-ur holder tiden i 16 milliarder år

Ikke desto mindre har et lille antal forskningsgrupper verden over gennem en årrække forsket i et alternativ, der har potentiale til at blive mange gange bedre og give forskerne nye muligheder. Det handler om kerneuret, der tager udgangspunkt i atomkernen og ikke hele atomet.

I modsætning til atomure, som kan laves med udgangspunkt i flere forskellige atomer – hydrogen, strontium, rubidium og cæsium er blandt de mest foretrukne – er der kun én kandidat til et kerneur. Det er thorium i varianten 229Th.

Forskningen er stadig knyttet til at forstå denne atomkerne i detaljer, for uden denne viden kan man ikke gå videre til at lave et egentligt thorium-kerneur.

Afgørende skridt mod kerneuret

To nye forskningsresultater, der er kommet frem inden for den seneste måned, ses som afgørende skridt videre mod realiseringen af kerneuret, uden at nogen dog vil pege på, hvornår et sådant ur kan være en realitet.

I en artikel i Nature har forskere fra fire tyske forskningsinstitutioner redegjort for, hvordan de har målt størrelsen og formen af ladningsfordelingen i en anslået tilstand af thorium-229-kernen, og en russisk forskningsgruppe har i en artikel tilgængelig på preprintserveren arxiv.org givet en ny bestemmelse af energien og levetiden af den anslåede tilstand eller isomer, som betegnes 229mTh. Det er en tilstand, som har været kendt i mere end 40 år, men hvis egenskaber stadig er alt for ringe kendt.

Atomure har mange praktiske anvendelser, men hyperpræcise kerneure vil nok i første omgang være mest interessante i forbindelse med grundforskning inden for fysik snarere end til nye teknologiske produkter.

En del forskere spekulerer på, om naturkonstanter som eksempelvis lysets hastighed nu også i virkeligheden er konstante, eller om de kunne have haft andre værdier i universets barndom, end de har i dag.

Selv om det stadig er en meget spekulativ påstand, har der gennem tiderne været fremlagt enkelte astrofysiske observationer, der kunne indikere noget sådant.

Det er muligt at teste denne hypotese i laboratorieeksperimenter med brug af atomure, uden at man dog hidtil har fundet belæg for andet, end at konstanterne er konstante.

Eksperimenter viser således, at finstrukturkonstanten (som afhænger af lysets hastighed) højst kan variere med 3 dele af 10^17 om året. Med kerneure vil det blive muligt at teste med endnu større nøjagtighed, og dermed vil man muligvis kunne opdage, at finstrukturkonstanten ændrer sig uhyre lidt. Det vil være sensationelt, hvis det skulle vise sig at være tilfældet.

Fra atomure til kerneure

Ure måler tid. Tid og frekvens er omvendt proportionale størrelser, og inden for atom- og kernefysik er frekvens knyttet til energiforskelle. Energien af en foton er eksempelvis givet ved produktet af Plancks konstant og frekvensen. Derfor kan energiforskelle også danne basis for et ur.

Atomer har energimæssigt en grundtilstand og flere anslåede eller exciterede tilstande med en højere energi, som er bestemt af, at elektroner kan befinde sig i forskellige skaller.

Når et atom henfalder fra en højere energitilstand til en lavere energitilstand, udsendes stråling med en veldefineret frekvens, der er bestemt af energiforskellen.

Energiforskelle er umiddelbart anvendelige som grundlag for at bestemme tid, og da de er meget veldefinerede, bliver tidsbestemmelsen også meget nøjagtig, når man anvender dem.

Frekvensen af strålingen for atomure af cæsium og rubidium er i gigahertzområdet, mens et strontiumur vil udsende stråling ved optiske frekvenser – det kaldes derfor også for et optisk atomur.

Atomkernens energitilstande

Men det er ikke kun hele atomet, der har forskellige energitilstande; det samme gælder for atom­kernen.

I atomkernen kan protoner og neutroner også befinde sig i forskellige skaller. For visse atomkerner findes såkaldte metastabile iso­merer, hvor atomkernen i et kortere tidsrum kan være i sin anslåede tilstand, før den henfalder til grundtilstanden.

Da protoner og neutroner er pakket meget tæt i kernen, er de meget mindre påvirkelige af eksterne forhold, der kan forstyrre deres overgangsfrekvenser, end det er tilfældet for elektroner i atomet. Her hjælper elektronskyen uden om kernen med til afskærmning.

Kerneovergangene har også en høj frekvens. Det svarer til, at uret tikker meget hurtigt.

Det er nogle af de forhold, som gør et kerneur mere nøjagtigt end et atomur.

Frekvensen må dog ikke være højere, end at man skal kunne anslå isomertilstanden eksternt, f.eks. med lasere.

Den laveste energiforskel

Det er umuligt for alle andre kerne­overgange end mellem 229Th og 229mTh, som er den laveste energi­forskel af alle kendte kerneovergange for alle atomer.

Allerede i 1990’erne estimerede man energien til at være blot nogle få elektronvolt, som er energien af fotoner af ultraviolet stråling. Der kendes kun én anden anslået kerne­tilstand med en energi under en kiloelektronvolt – det er 235mU med 76 elektronvolt.

Det fik i 2003 Ekkehard Peik og Christian Tamm fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i Braunschweig, Tyskland til at foreslå 229mTh som den eneste mulige kandidat til et kerneur.

229Th findes naturligt kun i meget sparsomme mængder, men det kan dannes ud fra den mest almindelige variant af 232Th, som i en reaktor ved neutronindfangning og to efterfølgende betahenfald (udsendelse af elektroner) vil omdannes til uran af isotopen 233U.

Med en halveringstid på 160.000 år og et alfahenfald omdannes 233U efterfølgende til 229Th, som har en halveringstid på næsten 8.000 år.

Nålen i høstakken

Gennem mange år gik det trægt med at bestemme de præcise egenskaber for isomeren 229mTh.

Først for to år siden lykkedes det for Lars von der Wense fra Ludwig- Maximilians-Universität München sammen med en række kolleger at lave den første direkte detektion af 229mTh-tilstanden.

Læs også: Atomurets afløser er på vej: Kerneuret har bedre nøjagtighed og stabilitet

De kunne eksperimentelt bestemme, at energien var mellem 6,3 og 18,3 elektronvolt, hvilket var i overensstemmelse med en indirekte bestemmelse fra 2007 foretaget af en amerikansk forskergruppe. Den havde givet et resultat på mellem 7,3 og 8,3 elektronvolt, hvilket svarer til en bølgelængde omkring 160 nanometer.

Nu har Ekkehard Peik og Lars von der Wense – sammen med flere kolleger – i en fælles artikel i Nature beskrevet, hvordan de med laserspektroskopi har karakteriseret strukturen for 229mTh.

Derved kommer man tættere på at kunne anslå den ønskede tilstand, som man har vidst fandtes, men som forskerne har haft lige så svært ved at finde som en nål i høstak.

Vi ved nu, hvordan nålen, vi leder efter, ser ud, og det bringer os et afgørende skridt videre.Ekkehard Peik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt

»Som det er ønskværdigt for et ur, er resonansen for overgangen meget skarp og kan kun observeres, hvis frekvensen for laserlyset helt præcist matcher energiforskellen mellem tilstandene,« forklarer Ekkehard Peik.

Med de nye målinger har forskerne ikke fundet nålen.

»Men vi ved nu, hvordan nålen, vi leder efter, ser ud, og det bringer os et afgørende skridt videre,« siger Ekkehard Peik.

Som et yderligere bidrag til forståelsen af tilstanden har Eugene Tkaly og Petr V. Borisyuk fra det nationale nukleare forsknings­universitet MEPhI i Moskva offentliggjort en mere præcis bestemmelse af energien, som de anfører til at være mellem 6,9 og 7,2 elektronvolt.

Der er ros til russerne fra Simon Stellmer fra Technische Universität Wien på hjemmesiden for EU- projektet NuClock (for Nuclear Clock) med håbet om, at uafhængig bestemmelse af andre kan bekræfte resultatet.

Kerneuret har spøgt længe, men nu ser der for alvor ud til at være fremdrift.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Mig bekendt havde Hewlet-Packard allerede i 1964 introduceret et atom-ur. Op til dette tidspunkt var det lykkedes de amerikanske myndigheder, at synkronisere deres tidsstandarder på militære baser ned til 5 mikrosekunder. I Hewlett Packard Journal fra juli 1964, er en beskrivelse af et eksperiment, hvor man sammenlignede tidsreferencer i USA og i Europa. Tidsstandarderne blev fløjet rundt til de individuelle destinationer spændt fast på passagersæderne i en ordinær rutemaskine. Ved forsøget lykkedes det at synkronisere tidsstandarder mellem USA og Europa ned til 1 mikrosekund.
En videreudvikling af disse Flying Clocks, blev senere solgt til hhv. JTAS, FT og KTAS, i et forsøg på at synkronisere transmissioner mellem landsdelene; men desværre forsøgte man at gøre det gennem et digitalt netværk, hvor man ikke havde helt styr på tidsforsinkelsen.
I dag kan vi spørge os selv, hvorvidt vor evne til at definere et tidspunkt har hjulpet os til at møde til tiden når vi skal.

  • 3
  • 1

Kronometret blev opfundet for at tilvejebringe en tidsreference.
I moderne tid, som Baldur bemærker, har satellitnavigationssystemer, hvoraf GPS er eet, som biprodukt gjort en nøjagtig tidsreference tilgængelig for alle.
Der har fået interessante anvendelser i mange fagområder - astronomi og jordskælvsforskning - for bare at nævne to.

Det ure, som nævnte satellitter benytter er meget kostbare - som kronometrene var i 1800-tallet. Derfor er det interessant om den nye teknologi måske kan bruges til en ny type ultra-ure, som er til at betale ?

  • 0
  • 0