முதன்முறையாகச் செயல்படும் தோரியம் அணுக்கருக் கடிகாரங்கள்: காலத்தைக் கணிக்கும் கருவிகளாகும் அணுக்கருக்கள்

ஒரு நாளுக்கும் மேலாக இயங்கும் அணுக்கருக் காலமானி

வியன்னாவில் உருவாக்கப்பட்ட ஒரு முன்மாதிரிக் கடிகாரம், மனிதத் தலையீடு இன்றி 24 மணி நேரத்துக்கும் மேலாகத் தோரியம் அணுக்கருக்களுடன் தனது லேசரை ஒத்திசைவாக வைத்துள்ளது. இதற்கிடையில், பெய்ஜிங்கில் உள்ள தனிக் குழு அதிக ஆற்றலுள்ள புற ஊதாக் கதிர் லேசரையும், படிகங்களில் ஒன்றை வளர்க்க வெறும் 1.4 மைக்ரோகிராம் தோரியம் 229-ஐயும் பயன்படுத்தி இதேபோன்ற கடிகாரத்தை உருவாக்கியுள்ளது. 2026 அக்டோபர் 7 அன்று Nature இதழில் வெளியான இந்த இரு முடிவுகளும், நம்பிக்கையளிக்கும் அணுக்கருவை அளவிடும் நிலையிலிருந்து, தமது துடிப்பைத் தாமே ஒழுங்குபடுத்தும் சாதனங்களாக அணுக்கருக் கடிகாரங்களை முன்னேற்றுகின்றன.

TU Wien-ஐச் சேர்ந்த தோர்ஸ்டன் ஷும் மற்றும் ஜெர்மனியின் தேசிய அளவியல் நிறுவனமான PTB-ஐச் சேர்ந்த எக்கார்ட் பைக் தலைமையிலான ஐரோப்பியக் கூட்டணி, ஒரு நாள் சராசரியெடுப்புக்குப் பிறகு குவாட்ரில்லியனில் ஒரு பங்கு என்ற அளவை நெருங்கும் அதிர்வெண் நிலையின்மையை எட்டியது. சிங்குவா பல்கலைக்கழகத்தைச் சேர்ந்த ஷிகியான் டிங் தலைமையிலான சீனக் கூட்டணி, இதைவிடக் குறைந்த நிலையின்மைக் குணகத்தைப் பதிவுசெய்தது. வெளியிடப்பட்ட சராசரியெடுப்பு உறவின்படி, இது சுமார் ஆறு மடங்கு சிறந்த நிலைத்தன்மையைக் குறிக்கிறது.

இந்த முன்மாதிரிகளில் எதுவும் சிறந்த ஒளியியல் அணுக் கடிகாரங்களை மிஞ்சவில்லை. அதற்குப் பதிலாக, ஒரு அணுக்கரு மாற்றம் இப்போது செயல்படும் கடிகாரத்தைக் கட்டுப்படுத்தத் தேவையான பின்னூட்டத்தை வழங்குகிறது என்பதே இந்த முன்னேற்றம். இந்தத் திறனைப் பயன்படுத்தி, மிகக் குறைந்த நிறையுள்ள கரும்பொருளைத் தேடிய வியன்னா குழு எந்தச் சமிக்ஞையையும் கண்டறியவில்லை; எனினும், முன்மொழியப்பட்ட சில இடைவினைகளுக்கு வரம்புகளை விதித்தது.

தனது அணுக்கருக் கடிகாரம் குறித்த அறிவிப்பில், தோரியம் அணுக்கருக்களின் எதிர்வினை மாறும்போது லேசர் அதிர்வெண்ணைத் தானாகச் சரிசெய்யும் அமைப்பை TU Wien விவரிக்கிறது. பல்கலைக்கழகத்தின் அணு மற்றும் அணுக்கீழ் இயற்பியல் நிறுவனப் பேராசிரியரான ஷும், இதன் அடிப்படை நோக்கத்தை விளக்குகிறார்:

உண்மையில் உங்களுக்குத் தேவைப்படுவது, தன்னைத் தானே நிலைப்படுத்திக்கொள்ளும் அணுக்கருக் கடிகாரம்தான்.

இந்த வேறுபாடுதான், தோரியம் அணுக்கருக்களைத் தூண்டிய அல்லது அவற்றின் மாற்ற அதிர்வெண்ணை அளந்த முந்தைய சோதனைகளிலிருந்து இந்தச் செயல்விளக்கங்களைப் பிரிக்கிறது. அந்த முந்தைய சோதனைகளில், ஒளியை நிலைப்படுத்த வெளிப்புறக் கடிகாரம் பயன்படுத்தப்பட்டது.

தோரியம் 229-ஐ வேறுபடுத்துவது என்ன?

ஒளியியல் அணுக் கடிகாரம், எலக்ட்ரான் ஆற்றல் நிலைகளுக்கு இடையிலான மாற்றத்தை அதிர்வெண் குறிப்பாகப் பயன்படுத்துகிறது. அணுக்கருக் கடிகாரம் அந்தக் குறிப்பை அணுக்கருவுக்குள் மாற்றுகிறது; அங்கு புரோட்டான்களும் நியூட்ரான்களும் வெவ்வேறு குவாண்டம் நிலைகளில் இருக்கலாம். இரண்டிலும், ஒளியின் சீரான அலைவுகள் துடிப்பை வழங்குகின்றன; தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட மாற்றம் லேசர் சரியான அதிர்வெண்ணில் இருப்பதை உறுதிப்படுத்துகிறது.

பெரும்பாலான அணுக்கரு மாற்றங்களுக்கு, வழக்கமான லேசர்கள் வழங்கக்கூடியதைவிட மிக அதிக ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது. தற்போதைய லேசர் தொழில்நுட்பத்தால் நேரடியாக அணுகக்கூடிய மாற்றம் கொண்டதாக அறியப்பட்ட ஒரே அணுக்கரு தோரியம் 229 மட்டுமே. அதன் வழக்கத்திற்கு மாறாகக் குறைந்த தூண்டப்பட்ட நிலை, ஐசோமர் எனப்படுகிறது; அது அடிநிலையைவிட சுமார் 8.4 எலக்ட்ரான் வோல்ட் அதிக ஆற்றலில் உள்ளது. இந்த ஆற்றல், 148 நானோமீட்டர் அருகிலுள்ள புற ஊதாக் கதிர் ஒளிக்குப் பொருந்துகிறது.

இந்த ஒளி வெற்றிடப் புற ஊதாக் கதிர் வரம்பில் வருகிறது; அதை உருவாக்குவதும் கையாள்வதும் கடினம். அந்த அலைநீளத்தில் போதுமான நிலைத்தன்மையும் குறுகிய அதிர்வெண் வரம்பும் கொண்ட லேசரை உருவாக்குவது, இரு குழுக்களும் எதிர்கொண்ட முக்கியப் பொறியியல் சவால்களில் ஒன்றாக இருந்தது.

‘அணுக்கரு’ என்ற சொல், இந்தக் கடிகாரம் அணு உலை, அணுப்பிளவு அல்லது அணுக்கரு இணைவு மூலம் இயங்குகிறது என்று பொருளல்ல. தோரியம் 229 கதிரியக்கத் தன்மை கொண்டது; ஆனால் அதன் சிதைவு கடிகாரத் துடிப்பு முறைமை அல்ல. அதன் அணுக்கருவுக்குள் உள்ள ஒரு மாற்றத்தை ஆராய லேசர் ஒளியைப் பயன்படுத்துகிறது.

அணுக்கருக்கள் அணுக்களைவிடப் பத்தாயிரத்துக்கும் மேற்பட்ட மடங்கு சிறியவை; அவற்றைச் சுற்றியுள்ள எலக்ட்ரான்கள் ஓரளவு பாதுகாக்கின்றன. பொதுவாக, வெளிப்புற மின்சார மற்றும் காந்த இடையூறுகளுக்கு அவை குறைவாகவே எதிர்வினையாற்றுகின்றன. இதனால் மேலும் நிலையான அதிர்வெண் குறிப்புகளை உருவாக்கும் வாய்ப்பு கிடைக்கிறது. இருப்பினும், அணுக்கருக்களைப் படிகத்தில் பதிப்பதால் சுற்றுச்சூழல் தாக்கங்கள் அனைத்தும் நீங்கிவிடுவதில்லை என்பதையும் தற்போதைய சோதனைகள் காட்டுகின்றன.

படிகம் லேசரை எப்படிச் சரிசெய்கிறது

இரு குழுக்களும் தோரியம் 229-ஐ கால்சியம் ஃபுளோரைடு படிகங்களில் பதித்து, 148.4 நானோமீட்டர் அருகிலுள்ள தொடர்ச்சியான லேசர் ஒளியால் அவற்றை ஒளியூட்டின. ஒளி தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட அணுக்கரு மாற்றத்துடன் பொருந்தும்போது, அணுக்கருக்கள் அதை உறிஞ்சுகின்றன. கடத்தப்பட்ட ஒளியை ஒரு உணர்கருவி அளவிடுகிறது; இதன் மூலம் லேசர் ஒத்ததிர்விலிருந்து விலகியுள்ளதா என்பதை ஆராய்ச்சியாளர்கள் கண்டறிய முடிகிறது.

பின்னர் மின்னணுப் பின்னூட்டச் சுற்று, லேசர் அதிர்வெண்ணை மாற்றி அதை மீண்டும் சரியான நிலைக்குக் கொண்டுவருகிறது. அணுக்கரு இனி அளவிடப்படும் பொருளாக மட்டும் இருப்பதில்லை. கடிகாரச் சமிக்ஞையை வழங்கும் அலைவியை அதன் எதிர்வினை வழிநடத்துகிறது.

சில மில்லிமீட்டர் அகலமுள்ள, அறை வெப்பநிலையில் இயங்கும் படிகத்தில் உறிஞ்சல் நிறமாலை அளவீட்டை அடிப்படையாகக் கொண்ட வேகமான பின்னூட்டத்தை, லூகா தோஸ்கானி தே கோல் தலைமையிலான ஐரோப்பியக் குழுவின் வியன்னா கடிகார ஆய்வுக் கட்டுரை விவரிக்கிறது. குறுகிய கால இடைவெளிகளில் நிலைத்தன்மையை வழங்கத் தனி ஒளியியல் குழிவகம் பயன்படுத்தப்படுகிறது; நீண்டகால விலகலை அணுக்கரு மாற்றம் சரிசெய்கிறது.

உறிஞ்சல் முறை முக்கியமானது; ஏனெனில் தூண்டப்பட்ட அணுக்கருக்கள் ஒளியை உமிழும் வரை காத்திருப்பது மெதுவாக இருக்கலாம். ஒளிர்வு கண்டறிதலைவிட, உறிஞ்சல் ஒரு வினாடிக்கு சுமார் ஆயிரம் மடங்கு அதிக சமிக்ஞை ஒளியணுக்களை வழங்குவதாக வியன்னா ஆய்வுக் கட்டுரை தெரிவிக்கிறது. இதனால் தூண்டப்பட்ட நிலையின் ஆயுட்காலத்தைவிடக் குறுகிய கால அளவுகளில் திருத்தங்களைச் செய்ய முடிகிறது; மாற்றத்தில் ஏற்படும் மாறுதல்களை வேகமாகத் தேடவும் வழி கிடைக்கிறது.

இரு ஆய்வகங்கள், வெவ்வேறு பொறியியல் தேர்வுகள்

ஐரோப்பியக் கூட்டணியில் ஜெர்மனி, ஆஸ்திரியா, செக்கியா ஆகிய நாடுகளின் ஆய்வாளர்கள் இடம்பெற்றுள்ளனர். பெய்ஜிங் முயற்சியில் சிங்குவா பல்கலைக்கழகம், பெய்ஜிங் குவாண்டம் தகவல் அறிவியல் அகாடமி மற்றும் சீனா முழுவதிலுமுள்ள கூட்டாளர்கள் பங்கேற்கின்றனர். சீன ஆய்வின் ஆசிரியர் பட்டியலில் பைச்சென் ஹுவாங் முதன்மையாக உள்ளார்.

வியன்னா குழு அதிகத் தோரியம் செறிவுள்ள படிகத்தைப் பயன்படுத்தியது; பெய்ஜிங் குழு, ஐசோடோப்பு குறைவாகக் கிடைத்ததை ஈடுசெய்ய, கணிசமாக அதிக லேசர் ஆற்றலைப் பயன்படுத்தியது. லேசர் அணுக்கரு ஒத்ததிர்விலிருந்து எவ்வளவு விலகியுள்ளது என்பதைக் கணிக்கப் போதுமான உறிஞ்சல் சமிக்ஞையைப் பெறுவது என்ற ஒரே சிக்கலை இந்த வெவ்வேறு அணுகுமுறைகள் கையாள்கின்றன.

காட்மியம் ஆவியில் லேசர் புலங்களை இணைக்கும் செயல்முறையின் மூலம் 10 மைக்ரோவாட் புற ஊதாக் கதிர் ஒளியை உருவாக்கும் மூலத்தை, சீனக் குழுவின் சிங்குவா கடிகார ஆய்வுக் கட்டுரை விவரிக்கிறது. சுமார் 5 மைக்ரோவாட் ஒளி படிகத்தின் முன்பரப்பை அடைந்தது. ஐரோப்பியக் கருவி, ஸ்ட்ரோன்ஷியம் டெட்ராபோரேட் படிகத்தை உள்ளடக்கிய வேறுபட்ட நேரியலற்ற மாற்ற முறையைப் பயன்படுத்தியது.

மேம்படுத்தப்பட்ட கால்சியம் ஃபுளோரைடு படிகத்தை வளர்க்க, 10 கிலோபெக்கெரல் கதிரியக்கச் செயல்பாடு கொண்ட வெறும் 1.4 மைக்ரோகிராம் தோரியம் 229 உள்ள கரைசலைப் பெய்ஜிங் குழு பயன்படுத்தியது. இந்தச் செயல்பாட்டு அளவு கதிரியக்கச் சிதைவுகளைக் குறிக்கிறது; கடிகாரத் துடிப்புகளைக் குறிக்காது. ஐசோடோப்பு பற்றாக்குறையால் படிக வளர்ச்சியை மேம்படுத்த மீண்டும் மீண்டும் முயற்சிப்பதற்கு ஏறத்தாழ வாய்ப்பே இல்லை என ஆய்வுக் கட்டுரை குறிப்பிடுகிறது.

சிங்குவா பல்கலைக்கழக இயற்பியலாளர் ஷிகியான் டிங், தனித்தனியாக நடத்தப்பட்ட இந்தச் செயல்விளக்கங்கள், வெவ்வேறு தொழில்நுட்ப வடிவமைப்புகளிலும் கடிகாரக் கருத்து செயல்படுகிறது என்ற நம்பிக்கையை வலுப்படுத்துகின்றன என்கிறார்:

நாங்கள் சுயாதீனமாகப் பணியாற்றி, வெவ்வேறு சோதனை அணுகுமுறைகளைப் பயன்படுத்தி, தோரியம்-229 அணுக்கருக் கடிகாரங்களை ஒரே காலகட்டத்தில் செயல்படச் செய்தோம். இது மிகவும் ஊக்கமளிக்கிறது என்று நினைக்கிறேன்; ஏனெனில் இந்தக் கருத்து உறுதியானது, ஒரு குறிப்பிட்ட தொழில்நுட்ப நடைமுறையை மட்டுமே சார்ந்ததல்ல என்பதைக் காட்டுகிறது.

இரு குழுக்களும் தமது அமைப்புகளை மேம்படுத்தவும், இரு அணுகுமுறைகளிலிருந்தும் கிடைத்த அனுபவங்களை இணைக்கவும் திட்டமிட்டுள்ளன. அதிக அணுக்கருக்களும் பயன்படுத்தக்கூடிய அதிக புற ஊதாக் கதிர் ஒளியும் சேர்ந்தால், தனித்தனியாகக் கிடைக்கும் நன்மைகளைவிட வலுவான சமிக்ஞையை வழங்கக்கூடும்.

முன்மாதிரிகளின் துல்லியம் எவ்வளவு?

வினாடிகளில் அளவிடப்படும் சராசரியெடுப்பு நேரத்தின் வர்க்கமூலத்தால் வகுக்கப்பட்ட 3 × 10^-12 என்ற பின்ன அளவிலான அதிர்வெண் நிலையின்மையை வியன்னா ஆய்வுக் கட்டுரை தெரிவிக்கிறது. அதே வகை அளவீட்டில் 5 × 10^-13 என்ற மதிப்பைச் சீன ஆய்வுக் கட்டுரை தெரிவிக்கிறது. இந்தக் குணகங்களை வகுத்தால் ஆறு கிடைக்கிறது; இதுவே இரு கடிகாரங்களுக்கிடையிலான ஒப்பீட்டுக்கு அடிப்படையாகும்.

அளவீட்டின்போது கடிகாரத்தின் வேகம் எந்த அளவுக்கு ஏற்ற இறக்கமடைகிறது என்பதை அதிர்வெண் நிலையின்மை குறிக்கிறது. சராசரியெடுப்பால் சீரற்ற ஏற்ற இறக்கங்களைக் குறைக்கலாம். துல்லியம் வேறொரு கேள்விக்குப் பதிலளிக்கிறது: சார்புப் பிழைகள் கணக்கில் எடுத்த பிறகு, அளவிடப்பட்ட அதிர்வெண் சரியான மதிப்புக்கு எவ்வளவு நெருக்கமாக உள்ளது? மீள்தன்மை என்பது மீண்டும் நடத்தப்படும் சோதனையிலோ வேறொரு படிகத்திலோ அதே முடிவு கிடைக்கிறதா என்பதைக் குறிக்கிறது.

ஸ்பானிய அளவியல் மையத்தின் இயந்திர அளவுகள் மற்றும் பொறியியல் பிரிவுத் தலைவர் டோலோரஸ் டெல் காம்போ மால்தோனாடோ, குறுகிய கால இடைவெளிகளில் சீனக் கடிகாரத்தின் மேம்பட்ட நிலைத்தன்மையையும், ஆஸ்திரியச் சோதனை யிட்டர்பியம் கடிகாரத்துடன் ஒப்பிடப்பட்டதையும் தனித்தனியான பலங்களாகக் குறிப்பிடுகிறார். எல்லா அளவீடுகளிலும் சிறந்த அணுக் கடிகாரங்களை ஒன்று மற்றொன்று மிஞ்சுகிறது என்பதை இந்த முடிவுகளில் எதுவும் நிறுவவில்லை.

திரண்ட காலப் பிழையாக மாற்றிக் கூறும்போது அறிக்கைகளில் வேறுபாடு உள்ளது. 10^-15-க்கு அருகிலான துல்லியத்தை அடிப்படையாகக் கொண்டு, வியன்னா முன்மாதிரிக்கு 3 கோடி ஆண்டுகளுக்கு ஒரு வினாடி என்ற தோராயமான மதிப்பை TU Wien வழங்குகிறது. மற்றொரு அறிக்கை, ஐரோப்பியக் கடிகாரத்திற்கு 30 லட்சம் ஆண்டுகளுக்கு ஒரு வினாடி என்றும், சீனக் கருவிக்கு 1.9 கோடி ஆண்டுகளுக்கு ஒரு வினாடி என்றும் கூறுகிறது. சீன முடிவைப் பற்றிய முந்தைய விளக்கம், ஒரு நாளுக்குப் பிறகு அதன் நிலையின்மை 10 டிரில்லியனில் ஒரு பங்குக்கு அருகில் இருந்ததாகக் குறிப்பிட்டது; இறுதி ஆய்வுக் கட்டுரையோ, அளவிடப்பட்ட கால இடைவெளியில் சராசரியெடுப்பால் 10^-15 அளவை எட்டியதாகத் தெரிவிக்கிறது.

இந்த மதிப்புகளை, முழுமையான துல்லியத்துக்கான ஒன்றுக்கொன்று மாற்றாகப் பயன்படுத்தக்கூடிய உத்தரவாதங்களாகக் கருதக் கூடாது. வெளியிடப்பட்ட நிலையின்மை அளவீடுகளையும் அவற்றின் சராசரியெடுப்பு நிபந்தனைகளையும் கொண்டு ஒப்பிடுவதே மிகவும் நம்பகமானது. தற்போதைய ஒளியியல் அணுக் கடிகாரங்கள் இன்னும் முன்னிலையில் உள்ளன; பல்லாயிரம் கோடி ஆண்டுகளில் ஒரு வினாடிக்கு நிகரான செயல்திறன் பதிவாகியுள்ளது. யிட்டர்பியம் கடிகாரத்துக்கு 23 பில்லியன் ஆண்டுகள் என்ற உதாரணமும் இதில் அடங்கும்.

படிகம் இன்னும் முடிவைப் பாதிக்கிறது

தொடர்ச்சியான ஓட்டத்தில் எட்டப்பட்ட நிலையின்மையைவிட மோசமாக, வெவ்வேறு நாட்களில் அளவிடப்பட்ட அதிர்வெண்களின் மீள்தன்மை சுமார் 5 × 10^-13 என்ற அளவில்தான் இருந்தது என வியன்னா ஆய்வு கண்டறிந்தது. ஒவ்வொரு ஓட்டத்துக்கும் முன் லேசரை மீண்டும் சீரமைக்க வேண்டியிருந்தது; இதனால் அது படிகத்தின் சற்றே வேறுபட்ட பகுதிகள் வழியாகச் சென்றது.

வெவ்வேறு இடங்களில் எடுத்த அளவீடுகள், மாற்றத்தின் மைய அதிர்வெண்ணில் 1.7 கிலோஹெர்ட்ஸ் வரை மாற்றங்களைக் காட்டின. படிகத்தின் சீரற்ற கட்டமைப்பால் ஏற்பட்ட உள்ளூர் அழுத்தமே இதற்குக் காரணமாக இருக்கலாம் என ஆய்வாளர்கள் கருதுகின்றனர். அதே இடத்தில் அளவீட்டை மீண்டும் நடத்தியபோது மீளத்தக்க முடிவு கிடைத்தது. இது பொருளின் வழியாக லேசர் செல்லும் பாதையைக் கட்டுப்படுத்த வேண்டியதன் அவசியத்தை உறுதிப்படுத்துகிறது.

தனித்தனியாகத் தயாரிக்கப்பட்ட இரண்டு படிகங்களைப் பெய்ஜிங் குழு ஆய்வு செய்தது. அவற்றில் அளவிடப்பட்ட மாற்ற அதிர்வெண்கள் சுமார் 560 ஹெர்ட்ஸ் வேறுபட்டன. இது 2.8 × 10^-13 என்ற பின்ன வேறுபாட்டுக்குச் சமம்; இதன் நிச்சயமின்மை 0.6 × 10^-13 ஆகும். அமெரிக்காவின் JILA-வில் மற்ற கால்சியம் ஃபுளோரைடு படிகங்களில் முன்னர் செய்யப்பட்ட அளவீடுகளுடனும், ஒருங்கிணைந்த நிச்சயமின்மைகளுக்குள் இரு முடிவுகளும் ஒத்திருந்தன.

வெப்பநிலை ஏற்ற இறக்கங்களைக் கட்டுப்படுத்தி, காந்தக் கவசத்தையும் சீனக் கருவி பயன்படுத்தியது. அதன் மேம்படுத்தப்பட்ட படிகம் 7% புற ஊதாக் கதிர் ஒளியைக் கடத்தியது; முந்தைய படிகத்தில் இது சுமார் 1% மட்டுமே. உணர்கருவியில் செய்யப்பட்ட மாற்றங்களுடனும் வலுவான உறிஞ்சல் சமிக்ஞையுடனும் சேர்ந்து, இந்த மேம்பாடுகள் அளவீட்டு இரைச்சலைக் கணிசமாகக் குறைத்தன.

கடிகாரத்தின் நிச்சயமின்மைக்கு வெளிப்புற மின்புலங்கள் முக்கியக் காரணம் என ஜப்பானின் தேசிய அளவியல் நிறுவனத்தைச் சேர்ந்த அகியோ கவாசாகி குறிப்பிடுகிறார். அணுக்கரு மாற்றங்கள் இத்தகைய இடையூறுகளிலிருந்து பாதுகாப்பை வழங்குகின்றன; ஆனாலும், பொருளின் தரம், வெப்பநிலைக் கட்டுப்பாடு, அதிர்வெண் மாற்றங்களை கவனமாக மதிப்பிடுதல் ஆகியவை இன்னும் அவசியம் என்பதை முன்மாதிரிகளின் முடிவுகள் காட்டுகின்றன.

கண்டறிதல் இன்றி நடத்தப்பட்ட கரும்பொருள் தேடல்

ஆஸ்திரியாவின் அளவியல் மற்றும் அளவீட்டுத் துறையின் யிட்டர்பியம் அயனி கடிகாரத்துடன், நிலைப்படுத்தப்பட்ட ஒளியியல் இழை இணைப்பைப் பயன்படுத்தி வியன்னா குழு தனது அணுக்கருக் கடிகாரத்தை ஒப்பிட்டது. சுமார் 23 மணி நேரம், 20 வினாடிகள் முதல் ஒரு நாள் வரையிலான கால அளவுகளில், இரு கடிகாரங்களின் அதிர்வெண் விகிதத்தில் ஏற்படும் காலமுறை மாற்றங்களையும் மெதுவான நகர்வுகளையும் இந்தச் சோதனை தேடியது.

மிகக் குறைந்த நிறையுள்ள கரும்பொருள் அடிப்படை மாறிலிகளில் சிறிய அலைவுகளை ஏற்படுத்தக்கூடும் என்று சில கோட்பாடுகள் கணிக்கின்றன. அணுக்கரு மற்றும் எலக்ட்ரான் மாற்றங்கள் வெவ்வேறாக எதிர்வினையாற்றும் என்பதால், இரு கடிகாரங்களையும் ஒப்பிடுவது பயனுள்ள சோதனையாக அமைகிறது. புள்ளியியல் அடிப்படையில் குறிப்பிடத்தக்க காலமுறைச் சமிக்ஞை எதுவும் தென்படவில்லை; அளவிடப்பட்ட மெதுவான நகர்வும் பூஜ்ஜியத்துடன் ஒத்திருந்தது.

சமிக்ஞை இல்லாததால், ஒளியணுக்கள், வலுவான அணுக்கரு விசை, குவார்க் நிறைகள் ஆகியவற்றுடனான சாத்தியமான இடைவினைகளுக்கு வரம்புகளை விதிக்கக் குழுவால் முடிந்தது. ஒளியணுக்களுடனான இடைவினைக்கான வரம்புகள், ஒப்பிடக்கூடிய முன்னணி அணுக் கடிகாரங்களின் வரம்புகளுக்கு இணையாக உள்ளன. குறிப்பிட்ட வலுவான விசை மற்றும் குவார்க் இடைவினைகளுக்கு, முந்தைய அணுக் கடிகாரச் சோதனைகளைவிடச் சோதிக்கப்பட்ட அளவுரு வரம்புகளில் 10 முதல் 1,000 மடங்கு ஆழமாக உணரும் திறன் இருப்பதாக ஆய்வுக் கட்டுரை தெரிவிக்கிறது.

தோரியத்தின் தனித்துவமான ஆற்றல் சமநிலையே அதன் நன்மைக்குக் காரணம். மின்காந்த மற்றும் அணுக்கரு ஆற்றல் பங்களிப்புகள் மிகப் பெரியவையாக இருந்தாலும், அவை ஒன்றையொன்று கிட்டத்தட்ட ரத்துச் செய்கின்றன; இதனால் 8.4 எலக்ட்ரான் வோல்ட் என்ற சிறிய மாற்றம் எஞ்சுகிறது. எனவே, அந்தப் பங்களிப்புகளில் சிறிய மாற்றம் ஏற்பட்டாலும், கடிகார அதிர்வெண்ணில் ஒப்பீட்டளவில் பெரிய மாற்றம் ஏற்படலாம்.

ஹைடெல்பெர்க்கில் உள்ள மேக்ஸ் பிளாங்க் அணுக்கரு இயற்பியல் நிறுவன ஆய்வாளர் ஜோசே ஆர். கிரெஸ்போ லோபஸ்-உர்ருட்டியா, சில கருதுகோள் கரும்பொருள் விளைவுகளுக்கான உணர்திறன், சிறந்த ஒளியியல் அணுக் கடிகாரங்களைவிட ஏறத்தாழ 10,000 மடங்கு அதிகமாக இருக்கலாம் என மதிப்பிடுகிறார். இது தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட சில விளைவுகளுக்கான சாத்தியமான எதிர்வினையைப் பற்றியது; நேரக்கணிப்பில் எல்லா வகையிலும் கிடைக்கும் மேம்பாட்டையோ கரும்பொருள் கண்டறியப்பட்டதையோ குறிக்கவில்லை. ஆய்வுக் குழுக்களில் சிலருடன் முன்பு இணைந்து பணியாற்றியதை அவர் தெரிவித்திருந்தாலும், இந்த ஆய்வுகளில் நேரடியாகப் பங்கேற்கவில்லை.

சில அணுக்கரு அளவுருக்கள் இன்னும் தெரியாததால், துல்லியமான உணர்திறன் காரணிகளைக் கணக்கிட முடியாது என்றும் வியன்னா ஆய்வுக் கட்டுரை எச்சரிக்கிறது. இந்த முடிவுகள் குறிப்பிட்ட மாதிரிகளுக்கும் இடைவினைகளுக்கும் வரம்புகளை விதிக்கின்றன; கரும்பொருளின் சாத்தியமான எல்லா வடிவங்களுக்கும் அல்ல.

செயல்படும் கடிகாரங்களுக்கு வழிவகுத்த மைல்கற்கள்

தூண்டப்பட்ட நிலை இருப்பதை நிறுவுதல், அதன் ஆற்றலைக் கண்டறிதல், பொருத்தமான லேசர்களை உருவாக்குதல் ஆகிய பல ஆண்டுகாலப் பணிகளைத் தொடர்ந்து அண்மைய முடிவுகள் வெளியாகியுள்ளன. 2008 முதல் தனது குழு அணுக்கருக் கடிகாரத்தை உருவாக்கப் பணியாற்றி வருவதாக ஷும் கூறுகிறார். தோரியம் கடிகார அணுகுமுறையை 2003-ல் பைக்கும் கிறிஸ்டியன் டாமும் முன்மொழிந்தனர்.

• 2016: தோரியம் ஐசோமரின் சிதைவு செயல்முறையின் மூலம் அதன் இருப்பை ஆய்வாளர்கள் நிரூபித்தனர் என வியன்னா ஆய்வுக் கட்டுரையின் வரலாற்றுப் பதிவு தெரிவிக்கிறது.
• 2019 செப்டம்பர் 12: செயல்படும் கடிகாரம் உருவாவதற்கு முன்பே, மாற்றம் குறித்த அறிவை மேம்படுத்திய இரண்டு சோதனைகளை TU Wien விவரித்தது.
• 2024 ஏப்ரல்: TU Wien மற்றும் PTB கூட்டணி, தோரியம் அணுக்கரு மாற்றத்தை நேரடியாக லேசர் ஒளியால் இயக்கியது.
• 2024 இலையுதிர் காலம்: வழக்கமான ஒளியியல் அணுக் கடிகாரத்துடன் தோரியம் தூண்டல் கருவியை ஆய்வாளர்கள் இணைத்தனர்.
• 2025: தொடர்ச்சியான புற ஊதாக் கதிர் லேசர் மூலங்களும் உறிஞ்சல் அளவீடுகளும் மாற்றத்தை நீடித்த நேரம் ஆராய வழிவகுத்தன.
• 2026 அக்டோபர் 7: பின்னூட்டத்துடன் இயங்கும் அணுக்கருக் கடிகாரங்கள் குறித்து இரு Nature ஆய்வுகளும் தெரிவித்தன.

யுரேனியம் 233 சிதைவால் உருவாகும் தோரியம் அயன்களைப் பயன்படுத்தி மேற்கொள்ளப்பட்ட மறைமுக அளவீட்டை, TU Wien-இன் 2019 மைல்கல் அறிவிப்பு விவரிக்கிறது. சுமார் 2% அயன்கள் தூண்டப்பட்ட நிலையில் இருந்தன. அயன்களை கிராஃபீன் வழியாகச் செலுத்தி அவற்றை நடுநிலையாக்கினர்; பின்னர் உமிழப்பட்ட எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல், அணுக்கரு நிலையின் ஆற்றலை நிறுவ உதவியது.

ஜப்பானில் நடந்த தனிச் சோதனை, மிகவும் அதிக ஆற்றலுள்ள அணுக்கரு நிலையை உருவாக்கத் தீவிரமான சின்க்ரோட்ரான் எக்ஸ் கதிர்களைப் பயன்படுத்தியது. அந்த நிலை பின்னர் சிதைவடைந்து பெரும்பாலும் விரும்பிய ஐசோமரை உருவாக்கியது. இவை மாற்றத்தைக் கண்டறிந்து அளவிடுவதற்கான படிகள்; செயல்படும் கடிகாரச் செயல்விளக்கங்கள் அல்ல.

quantA-வின் கல்விசார் கண்ணோட்டம், மாற்ற ஆற்றலை 12 தசம இடங்கள் வரை கணக்கிட்டதற்கும், உயர் சீரிசை உருவாக்கத்தின் மூலம் புற ஊதாக் கதிர் தூண்டலை மேம்படுத்தியதற்கும் ஷும்மின் குழுவைப் பாராட்டுகிறது. முன்மாதிரிக் கட்டுமானத்தை quantA சிறப்பு மையக் கூட்டமைப்பு மற்றும் ERC சினர்ஜி திட்டத்தின் பொறியியல் கட்டமாக அது விவரிக்கிறது. புதிய பின்னூட்டச் செயல்விளக்கங்கள் அந்த முந்தைய கட்டத்தைத் தாண்டிச் செல்கின்றன.

நடைமுறைப் பயன்பாட்டுக்கு முன் என்ன மேம்பட வேண்டும்?

அதிக ஆற்றலும் நிலைத்தன்மையும் கொண்ட லேசர்கள், மேம்பட்ட உணர்கருவிகள், தூய்மையான மற்றும் சீரான படிகங்கள் ஆகியவையே உடனடி முன்னுரிமைகள். ஓட்டங்களுக்கு இடையிலான மீள்தன்மையை வியன்னா மேம்படுத்த வேண்டும். பெய்ஜிங் குழு சிறந்த அடிப்படைப் பொருட்களையும், அணுக்கருக்களை மேலும் முழுமையாகத் தனிமைப்படுத்தும் தோரியம் அயனிக் கடிகாரத்தையும் ஆராய்கிறது; ஆனால் அத்தகைய கடிகாரத்தை உருவாக்குவது தொழில்நுட்ப ரீதியாக இன்னும் கடினம்.

ஒத்ததிர்வு அகலம் குறித்தும் அறிக்கைகள் வெவ்வேறு மதிப்புகளைத் தருகின்றன. அளவிடப்பட்ட அகலம் 30 கிலோஹெர்ட்ஸ் என பைக் கூறுகிறார்; கடிகாரச் செயல்திறன் பகுப்பாய்வில் சுமார் 100 கிலோஹெர்ட்ஸை வியன்னா ஆய்வுக் கட்டுரை பயன்படுத்துகிறது. மேம்படுத்தப்பட்ட படிகத்தில் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட மாற்றத்துக்கு 27 கிலோஹெர்ட்ஸ் என சீன ஆய்வுக் கட்டுரை தெரிவிக்கிறது. இந்த அளவீடுகளை ஒரே அகலமாகக் கருதக் கூடாது. இவை அனைத்தும் எதிர்பார்க்கப்படும் இயற்கையான அணுக்கரு ஒத்ததிர்வைவிட மிகவும் அகலமானவை; எனவே மேம்பாட்டுக்கு இடமுள்ளது.

செயற்கைக்கோள் வழிகாட்டல், தொலைத்தொடர்பு, ஒத்திசைக்கப்பட்ட தரவு பரிமாற்றம், நிலஅளவை ஆகியவை சாத்தியமான பயன்பாடுகள். ஈர்ப்பு விசை கடிகார வேகத்தை மாற்றும் விதத்தைப் பயன்படுத்தி பூமியின் ஈர்ப்பு புலத்தை அளவிடுவது குறித்தும் TU Wien-இன் 2024 பயன்பாட்டு அறிக்கை குறிப்பிடுகிறது. இதற்கு கனிமத் தேடலிலும் புவித்தட்டுப் பெயர்ச்சி ஆய்வுகளிலும் பயன்பாடு இருக்கலாம். நிலநடுக்க முன்னறிவிப்பு குறித்த அதன் குறிப்பு எதிர்காலப் பயன்பாட்டுக்கான சாத்தியமே அன்றி, நிரூபிக்கப்பட்ட திறன் அல்ல.

ஸ்பானிய அளவியல் மைய இயற்பியலாளர் டேனியல் தே மெர்காடோ, மாற்றங்களைத் துல்லியமாக அளவிடுவது, காணப்படும் மதிப்புகள் கோட்பாட்டுக் கணிப்புகளிலிருந்து வேறுபடுகிறதா என்பதைச் சோதிக்க உதவும் என விளக்குகிறார். அத்தகைய வேறுபாடுகள் அறியப்படாத இடைவினைகளைக் குறிக்கக்கூடும். தற்போதைய முன்மாதிரிகளைப் பொறுத்தவரை, அன்றாடக் கட்டமைப்புகளில் உள்ள கடிகாரங்களை மாற்றுவதைவிட, இந்த ஆய்வுப் பங்களிப்பே உடனடியாகப் பயனளிக்கும்.

10^-19-ஐ விட மேம்பட்ட துல்லியம் எதிர்காலத்தில் ஒரு நன்மையாக இருக்கலாம் என டெல் காம்போ கருதுகிறார். ஆனால் 2030-ல் நொடியின் வரையறையை மாற்றுவது குறித்த ஆலோசனையில் அணுக்கருக் கடிகாரங்கள் செல்வாக்கு செலுத்தும் அளவுக்கு அப்போது தயாராக இருக்கும் என்பதில் அவர் ஐயப்படுகிறார். இந்தச் செயல்விளக்கங்களுடன் எந்த உறுதிப்படுத்தப்பட்ட பயன்பாட்டுக் காலக்கெடுவும், தற்போதைய நேரத் தரநிலைகளை மாற்றுவதற்கான திட்டமும் இணைக்கப்படவில்லை. நிலையின்மை குறைவாகவும், அதிர்வெண்கள் மீளத்தக்கவையாகவும், துல்லியம் நன்கு புரிந்துகொள்ளப்பட்டதாகவும் மேம்படுத்தப்பட்ட சாதனங்கள் ஒருங்கிணைந்து செயல்படுகின்றன என்பதை நிரூபிப்பதே அடுத்த பணியாகும்.

முக்கிய குறிப்புகள்

• ஐரோப்பிய மற்றும் சீனக் குழுக்கள் சுயாதீனமாக உருவாக்கிய செயல்படும் தோரியம் அணுக்கருக் கடிகாரங்கள் குறித்து 2026 அக்டோபர் 7 அன்று Nature இதழில் தெரிவித்தன.
• இரு கடிகாரங்களும் தோரியம் கலந்த கால்சியம் ஃபுளோரைடு படிகங்களில் புற ஊதாக் கதிர் உறிஞ்சலைப் பயன்படுத்தி லேசர் அதிர்வெண்களைச் சரிசெய்கின்றன.
• வியன்னா முன்மாதிரி, மனிதத் தலையீடு இன்றி 24 மணி நேரத்துக்கும் மேலாக இயங்கியது.
• சீனக் கடிகாரத்தின் நிலையின்மைக் குணகம், ஐரோப்பியக் கடிகாரத்தின் மதிப்பைவிட ஆறு மடங்கு குறைவு எனத் தெரிவிக்கப்பட்டுள்ளது.
• இரு முன்மாதிரிகளும் இன்னும் சிறந்த ஒளியியல் அணுக் கடிகாரங்களை மிஞ்சவில்லை.
• வியன்னாவின் கரும்பொருள் தேடலில் சமிக்ஞை எதுவும் கிடைக்கவில்லை; எனினும், குறிப்பிட்ட கோட்பாட்டு இடைவினைகளுக்கு வரம்புகள் விதிக்கப்பட்டன.
• நடைமுறைப் பயன்பாட்டுக்கு முன் படிகச் சீர்மை, லேசர் ஆற்றல், மீள்தன்மை ஆகியவை முக்கியச் சவால்களாக உள்ளன.