دنفر، كولورادو | يقترب الفيزيائيون من إنشاء “ساعة نووية” طال انتظارها. سيحافظ هذا الجهاز على الوقت عن طريق قياس تحولات الطاقة في نوى الذرات ويمكن أن يصبح الساعة الأكثر دقة على هذا الكوكب.
منذ عقود مضت، توقع العلماء إمكانية استخدام نظير الثوريوم 229 في مثل هذه الساعة، لكنهم لم يتمكنوا من تحديد تحولها غير المعتاد للطاقة النووية. بدأ هذا الإنجاز، الذي تم تحقيقه باستخدام الليزر في عام 2024، العد التنازلي للساعة النووية.
والآن، أصبحت مثل هذه الساعة «أقرب بكثير مما يعتقده الناس»، كما يقول إريك هدسون، الفيزيائي بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، الذي يعمل على واحدة منها. “سوف ترى قياسات الساعة النووية في عام 2026، أنا متأكد.”
حول دعم الصحافة العلمية
إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.
ويقترب ما يقرب من عشرة فرق بحثية، منتشرة في جميع أنحاء الصين وأوروبا واليابان والولايات المتحدة، من تجميع مكونات مثل هذه الساعة، بما في ذلك مصدر للطاقة. 229Th – وهو مشع – وليزر فوق بنفسجي قوي مستمر الموجة لإثارة انتقال الطاقة. في قمة الفيزياء العالمية للجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS) في دنفر، كولورادو، هذا الأسبوع، قدم الباحثون تحديثات حول التقدم الذي أحرزوه، بما في ذلك تفاصيل تطوير الليزر.
أعربت كلير كريمر، المديرة التنفيذية لعلوم الكم في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، والتي كانت حاضرة، عن تفاؤلها بشأن إمكانات الساعات النووية ذات الحالة الصلبة: “إنها تقنية واعدة حقًا للتطبيقات التجارية”.
وذلك لأن الساعات النووية يمكن أن تكون قادرة على مقاومة الضوضاء ولها تصميم مدمج للاستخدام خارج المختبر. وقد تتجاوز أيضًا دقة الساعات الذرية الضوئية، وهي أفضل أدوات ضبط الوقت حاليًا في هذا المجال، والتي تفقد ثانية واحدة فقط كل 40 مليار سنة.
المناورة بالليزر
إن ضبط الوقت، سواء في ساعة الجيب أو في مختبر الفيزياء، يتلخص في حساب الأحداث السريعة والمنتظمة – “الدقات” في أي ساعة. في الساعات الذرية البصرية، هذه الأحداث هي قفز الإلكترونات في الذرة بين حالة الطاقة الأرضية وحالة الطاقة المثارة. يثير الليزر الذي يتراوح طوله الموجي بين 350 و750 نانومترًا (الجزء المرئي أو البصري من الطيف الكهرومغناطيسي) هذا التحول، الذي يمكن أن “يحدد” تريليونات المرات في الثانية الواحدة.
على النقيض من ذلك، فإن الساعة النووية ستحسب التحولات بين الدول النووية 229ذ. تحتوي هذه العناصر على نفس العدد من البروتونات والنيوترونات، لكن طاقاتها مختلفة اعتمادًا على كيفية ضغط الجسيمات معًا في النواة.
لمدة نصف قرن، الطاقة الدقيقة لل 229ظل التحول غير مؤكد. بدأت عدة مجموعات بحثية مستقلة في الاقتراب من الإجابة منذ بضع سنوات. بلغ البحث ذروته في تجربة عام 2024 بقيادة تشوانكون تشانغ، عالم الفيزياء الذي يعمل حاليًا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا، وجون يي، عالم الفيزياء في معهد أبحاث جيلا في بولدر، كولورادو. باستخدام مشط التردد – وهو ليزر به حوالي 30 مليون تردد يمكنه ضرب البلورة في وقت واحد – حدد تشانج ويي وزملاؤهما عملية الانتقال بدقة فائقة. ومع ذلك، للوصول إليه في ساعة نووية عاملة، يحتاج العلماء الآن إلى ليزر قوي ومستقر موجي مستمر بطول موجة فوق بنفسجية يبلغ حوالي 148 نانومتر. ولم يتم صنع مثل هذا الليزر.
اتخذت مجموعة مقرها في جامعة تسينغهوا في بكين، الصين، بعض الخطوات الواعدة نحو بناء واحدة. في الشهر الماضي، أبلغ الفريق طبيعة أنها قدمت 100 نانو واط من الطاقة عند 148.4 نانومتر. وعلى الرغم من أن الباحثين أشادوا بهذا التقدم، إلا أن البعض في اجتماع الجمعية الأمريكية للفيزياء أعربوا عن ترددهم بشأن آفاق الليزر على المدى الطويل، لأنه يتطلب تسخين بخار الكادميوم السام إلى 550 درجة مئوية.
هناك طريقة أخرى لتحويل الطول الموجي لليزر البصري إلى 148 نانومتر باستخدام بلورة متخصصة. وقال يي إن الاختبارات الأولية التي أجريت على بلورة معينة قد وفرت ما يقرب من 40 ميكرووات من الطاقة. ولم يكشف عن هوية المادة، بل قال إنها “واعدة للغاية”. لكن مجموعته تتعاون مع شركة IPG Photonics، وهي شركة تصنيع ليزر مقرها في مارلبورو، ماساتشوستس، والتي قدمت براءة اختراع لطريقة متخصصة في تنمية بلورات السترونتيوم رباعي البورات.
وقال هدسون إن المجتمع لم يتوصل إلى حل بعد. “لكن رأيي هو أن هذه مشكلة فنية لم يكن أحد بحاجة إلى حلها من قبل، والآن سنحلها.”
البحث عن الاستقرار
أما المكون الآخر للساعة النووية الذي يلاحقه الباحثون فهو مصدر ثابت له 229ذ. لقد ظهر حلان عامان: استخدام تريليونات من 229الأيونات في بلورة صلبة، أو مجرد حفنة في مصيدة الأيونات.
يوفر النهج البلوري إشارة ساعة أقوى بكثير بسبب العدد الهائل من 229يتم استخدام الأيونات، ولكنها محدودة بسبب الاستقرار. تتطلب الساعة النووية المستقرة عرض خط ضيق للتحول النووي، أي أن إشارتها يجب أن يكون لها نطاق ضيق من الترددات. باستخدام بلورة فلوريد الكالسيوم الممزوجة بها 229ثيونز، تمكنت مجموعة يي حتى الآن من التوصل إلى إشارة يبلغ عرض خطها حوالي 30 كيلو هرتز، وهو كبير جدًا بالنسبة لساعة مستقرة.
ليس من الواضح بعد سبب هذا العرض الخطي الكبير، لكن الباحثين في الاجتماع يشتبهون في وجود شوائب في فلوريد الكالسيوم. ويستكشف البعض أنواعًا أخرى من البلورات، وحتى الأغشية البلورية الرقيقة، التي يسهل تصنيعها وتحتوي على شوائب أقل. يبدو هدسون متفائلًا بشكل خاص بشأن رباعي فلوريد الثوريوم – وهو طلاء مشع كان شائعًا في عدسات الكاميرات – وأكسيد الثوريوم.
ومع ذلك، فإن استخدام البلورات كمصدر لل 229قد لا توفر الدقة الكافية للساعة النووية، لأنها تعمل بشكل طبيعي على توسيع عرض خط إشارة الساعة. وهذا هو السبب وراء قيام الباحثين بمتابعة مصائد الأيونات، التي تحتوي على أيونات 229يتم تبريدها وتعليقها عند درجات حرارة منخفضة للغاية، وصولاً إلى ميكروكلفن. يقول يي: “إذا كنت تريد أن تكون دقيقًا حقًا، فسوف تقوم بإجراء تجربة الأيون المحصور”. حتى الآن، لم يتمكن أحد من تحقيق ذلك 229ث، لكن الباحثين في الاجتماع قالوا إنها مسألة وقت فقط.
تم نسخ هذه المقالة بإذن وكان نشرت لأول مرة في 20 مارس 2026.
التعليقات