دانشمندان در ایالات متحده پیشرفتهای قابلتوجهی در جهت توسعه ساعتهای هستهای کاربردی داشتهاند. گروهی از محققان به سرپرستی جیلا و آقای فلو از موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و دانشگاه کلرادو، یافتهاند که استفاده از روش رسوب بخار فیزیکی (PVD) برای توریم-229 میتواند مقدار این ایزوتوپ گران و رادیواکتیو لازم برای ساخت یک ساعت دقیق را کاهش دهد.
دانشمندان در پی دستیابی به دقت فوقالعادهای در نگهداری زمان به ساعتهای هستهای روی آوردهاند. برخلاف ساعتهای اتمی نوری که به انتقالات الکترونیکی وابستهاند، ساعتهای هستهای از انتقالات انرژی در هسته اتمها استفاده میکنند که کمتر تحت تأثیر نیروهای خارجی قرار میگیرند. این بدان معنی است که این نوع ساعت میتواند زمان را با دقت بیشتری نسبت به هر فناوری موجود تا کنون نگهداری کند.
اما توسعه چنین ساعتهایی چالشبرانگیز بوده است، زیرا توریم-229، یکی از ایزوتوپهایی که در ساعتهای هستهای استفاده میشود، کمیاب، رادیواکتیو و به شدت گران است و تهیهی مقادیر قابلتوجهی از آن برای این منظور لازم است.
راهی برای ساخت ساعتهای هستهای با هزار برابر کاهش در پرتوزایی
محققان اکنون راهی یافتهاند که ساعتهای هستهای را با هزار برابر کاهش در پرتوزایی و مقرون به صرفهتر کنند، به لطف روشی که فیلمهای نازک از توریم تترافلوراید (ThF4) ایجاد میکند.
استفاده موفقیتآمیز از فیلمهای نازک در
مطالعه
نشانهای از نقطه عطفی در توسعه ساعتهای هستهای است. استفاده از فناوری فیلم نازک در ساعتهای هستهای همگام با نیمهرساناها و مدارهای مجتمع فوتونی است، که نشان میدهد ساعتهای هستهای آینده میتوانند دسترسیپذیرتر و مقیاسپذیرتر باشند.
رویکردهای قبلی که از بلورهای دپ شده با توریم استفاده میکردند، به مواد رادیواکتیو بیشتری نیاز داشتند. با توجه به اینکه توریم-229 معمولاً از اورانیوم به دست میآید، این مسئله به مسائل ایمنی پرتویی و ملاحظات هزینهای اضافی منجر میشود، طبق یک
بیانیه مطبوعاتی
.
رسوب بخار فیزیکی
جیک هیگینس، پژوهشگر پسادکتری در جیلا که به این مطالعه کمک کرده، گفت: "توریم-229 به صورت وزنی گرانتر از برخی پروتئینهای سفارشی است که در گذشته با آنها کار کردهام." وی افزود: «بنابراین میبایست این سیستم را با حداقل مواد ممکن اجرا کنیم."
محققان با بخش بهداشت و ایمنی محیط زیست دانشگاه کلورادو بولدر بهطور نزدیک همکاری کردند تا ساعت هستهای خود را با ایمنی بسازند و مطالعه کنند.
برای تولید فیلمهای نازک، محققان از فرآیندی به نام رسوب بخار فیزیکی (PVD) استفاده کردند که شامل حرارت دادن فلوراید توریم در یک محفظه تا تبخیر آن است.
اتمهای تبخیر شده سپس بر روی یک زیرلایه تقطیر میشوند و یک لایه نازک و حتی از فلوراید توریم به ضخامت حدود ۱۰۰ نانومتر را تشکیل میدهند. محققان یاقوت و فلوراید منیزیم را به عنوان زیرلایهها انتخاب کردند زیرا به نور ماورای بنفش که برای برانگیختن انتقال هستهای استفاده میشود نفوذپذیر هستند، مطابق با بیانیه مطبوعاتی.
ژانگ افزود: "اگر ما یک زیرلایه بسیار نزدیک داشته باشیم، مولکولهای تبخیر شده فلوراید توریم به زیرلایه میچسبند، بنابراین یک فیلم نازک و یکنواخت به دست میآورید.
پیشرفت فنی قابلتوجه
ویکتور فلومبام از دانشگاه نیو ساوت ولز استرالیا، که در این تحقیق مشارکت نداشته است، اظهار داشت که این کار "یک پیشرفت فنی بسیار مهم است"، در تلاش برای ساخت یک ساعت هستهای حالت جامد - چیزی که او معتقد است ممکن است برای سنجش همه چیز از نفت تا تغییرات در ثابت ساختار ریز مفید باشد، گزارش شده توسط فیزیک جهان .
فلومبام افزود: "به عنوان یک استاندارد فرکانس، ساعت حالت جامد چندان خوب نیست زیرا تحت تأثیر محیط قرار میگیرد. به محض اینکه بتوانیم فرکانس را با دقت بسیار زیادی بدانیم، آن را با یونهای به دام افتاده انجام میدهیم، اما این هنوز انجام نشده است."
محققان از بهبودهای در دقت نگهداری زمان که از استفاده از فیلمهای نازک در ساعتهای هستهای به دست آمده خوشحال هستند.
جیک هیگینس، پژوهشگر پسادکتری در جیلا گفت: "مزیت عمومی استفاده از ساعتها در حالت جامد، به جای تنظیم یون گرفتار، این است که تعداد اتمها بسیار، بسیار بیشتر است." "تعداد زیادی بیشتر از اتمهایی وجود دارد که میتوان به طور عملی در یک تله یون داشت، که به پایداری ساعت شما کمک میکند."
به گفته محققان، این فیلمهای نازک میتواند علاوه بر این، زمانسنجی هستهای را با فشرده و قابلحمل کردن آنها، فراتر از محیطهای آزمایشگاهی پیش برد.