Zamanı atomların elektronları yerine doğrudan çekirdeklerindeki enerji değişimlerinden yararlanarak ölçen nükleer saatler gerçeğe dönüştü. Avusturya ve Çin’de çalışan iki ayrı araştırma ekibi, toryum-229 izotopunu temel alan bağımsız saat sistemlerini çalıştırmayı başardı. Geliştirilen cihazlardan biri, yaklaşık 30 milyon yılda bir saniyelik sapmaya karşılık gelen frekans kararlılığına ulaştı. Yeni teknoloji, mevcut atom saatlerinden farklı bir ölçüm yöntemi kullanırken karanlık madde araştırmalarında da ilk sonuçlarını verdi.
Toryum-229 ile Çalışan Nükleer Saatler Nasıl Geliştirildi?
Modern zaman ölçümünün temelini oluşturan atom saatleri, elektronların farklı enerji seviyeleri arasındaki geçişlerinden yararlanıyor. Atomların belirli frekanslarda enerji soğurması veya yayması sayesinde son derece hassas zaman referansları oluşturuluyor. Nükleer saatlerde ise elektronların yerini atom çekirdeğindeki enerji geçişleri alıyor. Proton ve nötronlardan oluşan çekirdek, saatin frekansını belirleyen temel unsur hâline geliyor.
Bu yöntemin uygulanabilmesi için uygun özelliklere sahip bir atom çekirdeği gerekiyor. Araştırmacıların tercih ettiği toryum-229 izotopu, çekirdeğindeki iki enerji seviyesi arasında yaklaşık 8,4 elektronvoltluk fark barındırıyor. Bu değer, diğer birçok atom çekirdeğindeki enerji geçişlerinden çok daha düşük. Dolayısıyla toryum-229 çekirdeğini yaklaşık 148 nanometre dalga boyundaki vakum ultraviyole lazer ışığıyla uyarmak mümkün oluyor.
Atom çekirdeğinin boyutları, çevresindeki elektron bulutundan çok daha küçük. Bu fiziksel özellik nedeniyle çekirdek içindeki enerji geçişleri, bazı dış elektromanyetik etkilere elektron temelli geçişlerden daha az duyarlı olabiliyor. Ancak toryum-229 çekirdeğinin doğru frekansta uyarılması, ortaya çıkan sinyalin ölçülmesi ve lazerin bu frekansta sabit tutulması uzun yıllar boyunca çözülemeyen teknik sorunlar arasında yer aldı.
Nükleer saat fikri 2003 yılında bilimsel çalışmaların konusu oldu. Nisan 2024’te toryum-229 çekirdeğinin lazerle doğrudan uyarılması başarıldı. Aynı yıl çekirdeğin enerji geçiş frekansı optik bir atom saatiyle birlikte kullanılarak ölçüldü. Ancak bu deneylerde nükleer geçiş, bağımsız bir saatin frekansını sürekli kontrol eden referans olarak henüz kullanılamıyordu.
Avusturya’daki Viyana Teknik Üniversitesi ve Almanya’daki Fiziksel-Teknik Federal Enstitü (PTB) araştırmacıları, Thorsten Schumm’un da yer aldığı çalışma kapsamında bu aşamayı tamamladı. Ekip, toryum-229 çekirdeklerini kalsiyum florür kristaline yerleştirerek sürekli çalışabilen bir nükleer frekans referansı oluşturdu. Milimetre boyutlarındaki kristal, çok sayıda çekirdeğin tek bir katı yapı içerisinde bulunmasını sağladı.
Deney düzeneğinde kullanılan vakum ultraviyole lazerin frekansı, toryum çekirdeklerinin enerji geçişine göre kontrol ediliyor. Lazerin frekansında meydana gelen değişimler, çekirdekler tarafından soğurulan ışığın miktarını etkiliyor. Sistem bu farkı algılayarak lazerin frekansını otomatik olarak düzeltiyor. Böylece dışarıdan sürekli müdahale gerektirmeyen bir geri besleme mekanizması kuruluyor.
Avrupalı araştırmacıların geliştirdiği nükleer saat, 24 saatten uzun süre kesintisiz çalıştı. Bir günlük ölçüm süresinde yaklaşık 10⁻¹⁵ seviyesinde bağıl frekans kararlılığı elde edildi. Bu değer, uzun süreler için aynı kararlılığın korunduğu varsayıldığında yaklaşık 30 milyon yılda bir saniyelik zaman sapmasına karşılık geliyor. Bununla birlikte geliştirilen nükleer saat, hassasiyet bakımından henüz dünyanın en gelişmiş optik atom saatlerinin gerisinde bulunuyor.
Günümüzde stronsiyum ve iterbiyum gibi elementlerden yararlanan gelişmiş optik saatler, yüz milyarlarca yılda bir saniyelik sapmaya karşılık gelen hassasiyet seviyelerine ulaşabiliyor. Bu nedenle nükleer saatlerin ilk çalışan örnekleri, mevcut zaman ölçüm sistemlerinin doğrudan yerini alabilecek performansta değil. Araştırmacılar, yeni sistemlerde çekirdeklerin enerji geçişlerini kararlı bir frekans referansına dönüştüren teknik düzenekleri çalışır hâle getirdi.
Avrupa’daki çalışmalarla aynı dönemde Çin’deki Tsinghua Üniversitesi de kendi nükleer saatini geliştirdi. Shiqian Ding liderliğindeki araştırma ekibi, farklı bir lazer üretim yöntemiyle toryum-229 çekirdeklerinin enerji geçişini izleyen sistem oluşturdu. Çinli bilim insanları, kadmiyum buharında dört dalga karışımı tekniğini kullanarak 148,4 nanometre dalga boyunda sürekli lazer ışığı üretti.
Çin’deki deneyde kullanılan lazerin gücü 10 mikrowatt seviyesine ulaştı. Araştırmacılar, yalnızca 1,4 mikrogram toryum-229 içeren kristalden yararlanarak nükleer geçiş sinyalini ölçtü. Lazer frekansı, otomatik geri besleme sistemi aracılığıyla çekirdeğin enerji geçişine sabitlendi. Böylece bağımsız çalışan ikinci bir nükleer saat düzeni ortaya çıktı.
Pekin’deki araştırmalarda iki ayrı kristal üzerinden gerçekleştirilen ölçümler de karşılaştırıldı. Kristallerde belirlenen nükleer geçiş frekanslarının 10⁻¹³ düzeyinde uyum gösterdiği açıklandı. Nükleer saatin bir saniyelik ortalama süresindeki kısa dönem bağıl frekans kararsızlığı ise yaklaşık 5 × 10⁻¹³ olarak hesaplandı.
Avusturya ve Çin’de geliştirilen düzenekler, toryum-229 çekirdeğinin aynı enerji geçişinden yararlanıyor ancak kullanılan donanımlar farklılık gösteriyor. Avrupa’daki sistemde toryum yoğunluğu daha yüksek kristaller bulunurken Çin’deki deneyde daha güçlü vakum ultraviyole lazer kullanılıyor. Bu iki özelliğin aynı sistemde bir araya getirilmesi, ilerleyen çalışmalarda değerlendirilebilecek teknik seçenekler arasında bulunuyor.
Nükleer saatler için katı kristal yapısının kullanılabilmesi de önemli bir teknik ayrıntı. Geleneksel optik atom saatlerinin bir bölümünde atomların veya iyonların özel düzeneklerle tutulması, soğutulması ve vakum altında kontrol edilmesi gerekiyor. Toryum çekirdeklerinin doğrudan bir kristalin içinde yer alması ise farklı bir donanım mimarisine izin veriyor. Yeni deneylerde kristallerin oda sıcaklığında kullanılabilmesi, sıcaklık kontrolüne ilişkin gereksinimlerde de farklılık yaratıyor.
Buna rağmen geliştirilen ilk nükleer saatler henüz küçük ve taşınabilir cihazlar değil. Toryum-229’un temin edilmesi, özel kristallerin hazırlanması ve 148 nanometre civarındaki vakum ultraviyole ışığın kararlı biçimde üretilmesi için gelişmiş laboratuvar donanımları gerekiyor. Ayrıca lazer frekansındaki dalgalanmalar ve kristal ortamından kaynaklanan etkiler, ölçüm doğruluğunun artırılması için üzerinde çalışılan konular arasında yer alıyor.
Teknolojinin ilerleyen dönemlerde kullanılabileceği alanlar arasında uydu navigasyonu, haberleşme sistemleri ve yüksek hassasiyet gerektiren bilimsel ölçümler bulunuyor. Uydu tabanlı konumlandırma sistemleri, sinyallerin gönderilme ve alınma zamanları arasındaki farklardan yararlanarak mesafe hesaplıyor. Haberleşme altyapılarında ise farklı sistemlerin ortak zaman ve frekans referansları üzerinden eş zamanlı çalışması gerekiyor.
Nükleer saatlerin ilk bilimsel uygulamalarından biri de karanlık madde araştırmalarında gerçekleştirildi. Viyana’daki ekip, toryum-229 temelli saatin frekansını iterbiyum iyonlarından yararlanan optik bir atom saatiyle karşılaştırdı. Deneyde, temel fizik sabitlerinde oluşabilecek son derece küçük değişimlerin iki farklı saat teknolojisinde nasıl bir frekans farkı meydana getirebileceği araştırıldı.
Karanlık maddeye ilişkin bazı teorik modeller, belirli parçacıkların elektromanyetik ve güçlü nükleer etkileşimler üzerinde değişimler oluşturabileceğini öngörüyor. Atom çekirdeğinin enerji seviyeleri ile elektronların enerji seviyeleri bu tür etkilere aynı biçimde tepki vermediği için iki farklı saatin karşılaştırılması, olası değişimlerin araştırılmasını sağlıyor.
Bir güne kadar uzanan ölçümlerde karanlık maddeye bağlanabilecek herhangi bir frekans değişimi tespit edilmedi. Bununla birlikte deneyden elde edilen veriler, karanlık maddenin fotonlarla ve güçlü nükleer etkileşimle olası bağlantılarına yönelik yeni deneysel sınırlar belirlenmesinde kullanıldı. Araştırmacılar, atom çekirdeği ve elektron temelli saatlerin frekanslarını karşılaştırarak temel fizik sabitlerindeki değişimleri inceleyen ilk nükleer saat deneylerini gerçekleştirdi.
