Jak działa zegar atomowy, a jak zegar jądrowy z toru-229

Zegar atomowy mierzy czas, śledząc częstotliwość rezonansową atomów. Atomy mają skwantowane poziomy energii, a przejścia między nimi wymagają bardzo konkretnej częstotliwości promieniowania. Ta częstotliwość jest taka sama w każdym atomie danego izotopu, więc służy za wzorzec. Kwarc ani wahadło takiej uniwersalności nie mają.

Ten tekst to przegląd oparty na hasłach polskiej i angielskiej Wikipedii o zegarze atomowym i zegarze jądrowym. Porównałem oba hasła i tam, gdzie się rozchodzą, zaznaczam to w tekście. Nie sprawdzałem oryginalnych prac, na które hasła się powołują, więc traktuję je jako przegląd, a nie jako recenzowane źródło pierwotne.

Jak to działa

1. Przygotowanie: Grupa atomów trafia w niższy stan energetyczny
2. Mikrofale: Atomy są naświetlane promieniowaniem o zadanej częstotliwości
3. Przejście: Przy właściwej częstotliwości część atomów przechodzi do stanu wyższego
4. Strojenie: Częstotliwość dostraja się tak, by przeszło jak najwięcej atomów
5. Zegar: Ustalona częstotliwość służy do mierzenia upływu czasu

Źródło: Wikipedia (en): Atomic clock

Im bliżej częstotliwości własnej atomów, tym więcej z nich zmienia stan. To pozwala bardzo dokładnie dostroić źródło promieniowania. Stany zegarowe atomów są niewrażliwe na temperaturę i inne czynniki środowiskowe, a częstotliwość drgań jest dużo wyższa niż w innych zegarach.

Definicja sekundy opiera się na cezie. Od 1968 r. sekunda to 9 192 631 770 drgań przejścia nadsubtelnego atomu cezu-133 w stanie podstawowym. Wcześniej wynikała z długości roku zwrotnikowego 1900. W 1997 r. CIPM dodał, że definicja dotyczy atomu cezu w spoczynku w temperaturze zera bezwzględnego.

Od amoniaku do pikosekundowej precyzji: najważniejsze etapy

1. 1949Prototyp zegara na linii amoniaku w amerykańskim Narodowym Biurze Standaryzacji
2. 1955Louis Essen buduje w NPL pierwszy praktyczny zegar cezowy
3. 1968Sekunda zdefiniowana przez przejście w cezie-133
4. 2004NIST pokazuje miniaturowy zegar atomowy wielkości ziarna ryżu
5. 2010Zegar optyczny na jonie glinu z precyzją 10⁻¹⁷ (NIST)
6. 2015Zegar strontowy z precyzją 10⁻¹⁸ (JILA)
7. 2019Zegar na jonie glinu z niepewnością 9,4×10⁻¹⁹ (NIST)
8. 2021Zegar strontowy z różnicową precyzją 7,6×10⁻²¹ (JILA)
9. 2025Rekordowy zegar optyczny na jonie glinu (NIST)

1. 1949: Prototyp zegara na linii amoniaku w amerykańskim Narodowym Biurze Standaryzacji
2. 1955: Louis Essen buduje w NPL pierwszy praktyczny zegar cezowy
3. 1968: Sekunda zdefiniowana przez przejście w cezie-133
4. 2004: NIST pokazuje miniaturowy zegar atomowy wielkości ziarna ryżu
5. 2010: Zegar optyczny na jonie glinu z precyzją 10⁻¹⁷ (NIST)
6. 2015: Zegar strontowy z precyzją 10⁻¹⁸ (JILA)
7. 2019: Zegar na jonie glinu z niepewnością 9,4×10⁻¹⁹ (NIST)
8. 2021: Zegar strontowy z różnicową precyzją 7,6×10⁻²¹ (JILA)
9. 2025: Rekordowy zegar optyczny na jonie glinu (NIST)

Pierwszy zegar z 1949 r. był według polskiej Wikipedii mniej dokładny niż ówczesne zegary kwarcowe i służył do demonstracji koncepcji. Koncepcje zegarów opartych na właściwościach atomów sięgają Lorda Kelvina i 1879 r.

W latach 1959-1998 NIST zbudował serię siedmiu cezowych zegarów mikrofalowych, od NBS-1 do NIST-7. Pierwszy miał dokładność 10⁻¹¹, ostatni 10⁻¹⁵. Cezowa fontanna NIST-F2, główny wzorzec USA, działa z niepewnością względną około 10⁻¹⁶.

Kolejny skok przyniosły lasery i optyczne grzebienie częstotliwości z lat dziewięćdziesiątych XX wieku. Zegary optyczne wykorzystują przejścia o częstotliwości dużo wyższej niż mikrofale, dlatego mogą być stabilniejsze. Dla porównania: stront ma 429 THz, cez 9,19 GHz. Pierwszy krok poza precyzję zegarów cezowych to według angielskiej Wikipedii zegar „logiki kwantowej" na jonach glinu z NIST z 2010 r.

Według angielskiej Wikipedii w lipcu 2025 r. badacze z NIST opisali rekordowy zegar optyczny na uwięzionym jonie glinu. Ma on niepewność systematyczną odpowiadającą około 19 miejscom po przecinku. To poprawa o 41% względem poprzedniego rekordu, a zegar jest 2,6 raza stabilniejszy niż jakikolwiek inny zegar jonowy.

Nowa definicja sekundy

Rozwój zegarów optycznych skłonił środowisko metrologów do przygotowań do zmiany definicji sekundy SI. Hasło wskazuje, że może do tego dojść około 2030 lub 2034 r. Autorzy hasła wymieniają warunki:

• zegary optyczne muszą stale mierzyć częstotliwość z dokładnością nie gorszą niż 2×10⁻¹⁸,
• trzeba pokazać niezawodne porównywanie zegarów optycznych w krajowych laboratoriach na świecie,
• porównania muszą wykazać względną dokładność nie gorszą niż 5×10⁻¹⁸.

W czerwcu 2025 r. opisano skoordynowane międzynarodowe porównanie zegarów optycznych w sześciu krajach. Hasło nazywa je ważnym krokiem w stronę globalnego wzorca czasu optycznego.

Sekunda jest podstawą większości innych jednostek. Po rewizji SI z 2019 r. na jej definicji opiera się każda jednostka podstawowa poza molem i niemal wszystkie jednostki pochodne.

Do czego to służy

Zegary atomowe są zbyt drogie dla indywidualnych użytkowników, a ich dokładność rzadko jest potrzebna na co dzień. Czas dociera do nas przez fale radiowe (np. DCF77), internet (protokół NTP) i systemy nawigacji satelitarnej, takie jak GPS, GLONASS, Galileo i BeiDou.

W nawigacji liczą się nanosekundy: błąd czasu 1 ns odpowiada błędowi położenia około 30 cm. Dlatego satelity mają zegary atomowe. Według polskiej Wikipedii po 2000 r. coraz częściej montuje się na nich tańsze zegary rubidowe, o cenie dziesięć razy niższej i czasie eksploatacji cztery razy dłuższym.

Zegary optyczne otwierają też nowe zastosowania. Są to geodezja relatywistyczna (pomiar różnic potencjału grawitacyjnego na podstawie tempa zegarów) oraz testy stałych podstawowych i ogólnej teorii względności.

W Polsce działa kilkanaście cezowych zegarów atomowych (model 5071A) i masery wodorowe, zrzeszone w porozumieniu TA(PL), które wyznacza polską skalę czasu atomowego. W grudniu 2014 r. w Krajowym Laboratorium FAMO w Toruniu uruchomiono pierwszy w Polsce optyczny zegar atomowy na atomach strontu w sieci optycznej.

Zegar jądrowy: tor-229

Zegar jądrowy zamiast przejścia elektronu w powłoce atomu wykorzystuje przejście w jądrze atomowym. Jądro jest mniejsze od powłoki nawet o pięć rzędów wielkości, więc znacznie słabiej reagują na nie zewnętrzne pola magnetyczne i elektryczne. Te zaburzenia ograniczają stabilność zegarów elektronowych. Zegar jądrowy ma osiągnąć stabilność bliską 10⁻¹⁹, czyli około dziesięciokrotnie lepszą.

Problem polega na tym, że energie przejść jądrowych (keV-MeV) są setki tysięcy razy wyższe niż to, co potrafią wzbudzić wąskopasmowe lasery (kilka eV). Z dwóch znanych stanów jądrowych o niskiej energii praktyczny jest tylko tor-229m. Jego energia to około 8,4 eV, a dokładniej 8,355733554021(8) eV. Odpowiada to długości fali 148,382182883 nm, w próżniowym ultrafiolecie, dostępnym dla wzbudzenia laserem. Drugi stan, uran-235m1 (76,7 eV), ma tak długi czas połowicznego zaniku, że nie nadaje się do zegara.

Droga do tego wyniku była kręta. Wartość energii przez lata korygowano:

Wczesny błąd z 1994 r. miał konkretne skutki: wiele eksperymentów zbudowano z materiałów nieprzezroczystych dla fotonów o prawdziwej, wyższej energii, więc nie miały szans powodzenia. We wrześniu 2024 r. laboratorium Juna Ye w JILA, porównując przejście z zegarem strontowym, zmierzyło częstotliwość 2020407384335±2 kHz, z niepewnością względną 10⁻¹².

Pierwsze prototypy

Według angielskiej Wikipedii dwa pierwsze prototypy zegarów jądrowych ogłoszono w czerwcu 2026 r. Oba to zegary półprzewodnikowe, oparte na kryształach CaF2 domieszkowanych torem-229. Jak dotąd tylko ten wariant zbudowano. Zegary z jonami uwięzionymi w pułapce istnieją na razie w koncepcjach.

Ich stabilność wygląda tak: do 10 000 s około 3·10⁻¹² · √(s/τ). To lepiej niż 4·10⁻¹² dla cezowego zegara HP 5071A/001, ale dużo gorzej niż 1,55·10⁻¹³ dla cezowej fontanny. Hasło zaznacza, że oczekuje się szybkiego postępu.

Potencjalne zastosowania to według hasła nawigacja satelitarna (bo zegar półprzewodnikowy nie wymaga zbiorczych układów pułapkujących), geodezja relatywistyczna, poszukiwanie topologicznej ciemnej materii i badanie zmian stałych podstawowych. Przejście w torze-229 jest szczególnie czułe na ewentualne zmiany stałej struktury subtelnej. Zmianę rzędu jednej części na 10¹⁸ dałoby się wykryć w porównaniu z konwencjonalnym zegarem atomowym.

Ograniczenia praktyczne to rzadkość surowca: światowe zasoby toru-229 szacuje się na około 40 gramów. Wystarczy za to bardzo cienka warstwa, rzędu 10 nm.

Pytania i odpowiedzi

Jak dokładny jest najlepszy zegar atomowy?

Najlepsze zegary optyczne mają stabilność bliską 10⁻¹⁸, co odpowiada dryfowi około 0,4 s w ciągu 14 mld lat. Według angielskiej Wikipedii rekordowy zegar NIST na jonie glinu z lipca 2025 r. ma niepewność odpowiadającą około 19 miejscom po przecinku.

Kiedy zmieni się definicja sekundy?

Według angielskiej Wikipedii zmiany oczekuje się około 2030 lub 2034 r. Zależy to od tego, czy zegary optyczne wykażą dokładność nie gorszą niż 2×10⁻¹⁸ i czy uda się je wiarygodnie porównywać między laboratoriami (5×10⁻¹⁸.

Czym zegar jądrowy różni się od atomowego?

Zegar atomowy odnosi się do przejścia elektronu w powłoce atomu, a zegar jądrowy do przejścia w jądrze, w przypadku toru-229 do izomeru o energii około 8,4 eV. Jądro jest znacznie mniej podatne na zewnętrzne pola, więc teoretycznie zegar może być stabilniejszy.

Czy zegar jądrowy jest już dokładniejszy od atomowego?

Nie. Według angielskiej Wikipedii pierwsze prototypy z 2026 r. są na razie gorsze od cezowej fontanny, choć lepsze od komercyjnego zegara cezowego HP 5071A/001. Autorzy hasła zakładają szybki rozwój.

Źródła

• Wikipedia (pl) - Zegar atomowy
• Wikipedia (en) - Atomic clock
• Wikipedia (en) - Nuclear clock

Widzisz błąd albo nieścisłość? Napisz - poprawię i dopiszę datę aktualizacji.