นาฬิกานิวเคลียร์ทอเรียมที่ใช้งานได้เป็นครั้งแรก เปลี่ยนนิวเคลียสอะตอมให้กลายเป็นเครื่องบอกเวลา

นาฬิกานิวเคลียร์เดินต่อเนื่องนานกว่าหนึ่งวัน

ต้นแบบนาฬิกาในกรุงเวียนนารักษาการซิงโครไนซ์เลเซอร์กับนิวเคลียสทอเรียมได้นานกว่า 24 ชั่วโมงโดยไม่ต้องมีผู้ควบคุม ขณะที่ทีมอิสระในกรุงปักกิ่งสาธิตนาฬิกาคล้ายกันโดยใช้เลเซอร์อัลตราไวโอเลตที่ทรงพลังกว่า และใช้ทอเรียม 229 เพียง 1.4 ไมโครกรัมในการปลูกผลึกชนิดหนึ่ง ผลการทดลองทั้งสองชิ้นที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 7 ตุลาคม 2026 ทำให้นาฬิกานิวเคลียร์ก้าวจากการวัดนิวเคลียสอะตอมที่มีศักยภาพ ไปสู่เครื่องมือที่ควบคุมจังหวะการเดินของตัวเองได้

ความร่วมมือในยุโรปซึ่งนำโดย Thorsten Schumm จากมหาวิทยาลัย TU Wien และ Ekkehard Peik จากสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติของเยอรมนี PTB ทำให้ความไม่เสถียรของความถี่เข้าใกล้ระดับหนึ่งส่วนในหนึ่งพันล้านล้าน หลังเฉลี่ยข้อมูลเป็นเวลาหนึ่งวัน ส่วนความร่วมมือจากจีนซึ่งนำโดย Shiqian Ding จากมหาวิทยาลัย Tsinghua รายงานค่าสัมประสิทธิ์ความไม่เสถียรที่ต่ำกว่า บ่งชี้ว่าเสถียรภาพดีขึ้นราวหกเท่าตามความสัมพันธ์ของการเฉลี่ยที่รายงานไว้

ต้นแบบทั้งสองยังไม่ได้เอาชนะนาฬิกาอะตอมเชิงแสงที่ดีที่สุด ความก้าวหน้าสำคัญอยู่ที่การนำการเปลี่ยนผ่านในนิวเคลียสมาใช้เป็นสัญญาณป้อนกลับเพื่อควบคุมนาฬิกาที่ทำงานได้แล้ว ทีมเวียนนาใช้ความสามารถนี้ค้นหาสสารมืดมวลเบาพิเศษ และไม่พบสัญญาณ แต่สามารถกำหนดขอบเขตของอันตรกิริยาบางรูปแบบที่มีการเสนอไว้ได้

ในประกาศเกี่ยวกับนาฬิกานิวเคลียร์ของ TU Wien ระบุถึงระบบที่ปรับความถี่เลเซอร์โดยอัตโนมัติเมื่อการตอบสนองของนิวเคลียสทอเรียมเปลี่ยนแปลง Schumm ศาสตราจารย์จากสถาบันฟิสิกส์อะตอมและอนุอะตอมของมหาวิทยาลัย อธิบายเป้าหมายสำคัญไว้ว่า:

สิ่งที่คุณต้องการจริง ๆ คือนาฬิกานิวเคลียร์ที่รักษาเสถียรภาพได้ด้วยตัวเอง

จุดนี้ทำให้การสาธิตดังกล่าวแตกต่างจากการทดลองก่อนหน้านี้ ซึ่งกระตุ้นนิวเคลียสทอเรียมหรือวัดความถี่การเปลี่ยนผ่าน โดยยังต้องพึ่งนาฬิกาภายนอกเพื่อรักษาเสถียรภาพของแสง

อะไรทำให้ทอเรียม 229 แตกต่าง?

นาฬิกาอะตอมเชิงแสงใช้การเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับพลังงานของอิเล็กตรอนเป็นความถี่อ้างอิง ส่วนนาฬิกานิวเคลียร์ย้ายจุดอ้างอิงไปไว้ในนิวเคลียส ซึ่งโปรตอนและนิวตรอนสามารถอยู่ในสถานะควอนตัมที่แตกต่างกันได้ ทั้งสองกรณีใช้การสั่นอย่างสม่ำเสมอของแสงเป็นจังหวะนับเวลา ขณะที่การเปลี่ยนผ่านที่เลือกไว้ช่วยรักษาความถี่เลเซอร์ให้ถูกต้อง

การเปลี่ยนผ่านในนิวเคลียสส่วนใหญ่ต้องใช้พลังงานมากเกินกว่าที่เลเซอร์ทั่วไปจะให้ได้ ทอเรียม 229 เป็นนิวเคลียสชนิดเดียวที่ทราบว่ามีการเปลี่ยนผ่านซึ่งเข้าถึงได้โดยตรงด้วยเทคโนโลยีเลเซอร์ในปัจจุบัน สถานะกระตุ้นที่ต่ำผิดปกติของมัน ซึ่งเรียกว่าไอโซเมอร์ อยู่สูงกว่าสถานะพื้นประมาณ 8.4 อิเล็กตรอนโวลต์ พลังงานระดับนี้เทียบได้กับแสงอัลตราไวโอเลตที่ความยาวคลื่นใกล้ 148 นาโนเมตร

แสงนี้อยู่ในช่วงอัลตราไวโอเลตสุญญากาศ ซึ่งผลิตและจัดการได้ยาก การสร้างความถี่เลเซอร์ที่เสถียรและมีช่วงแคบเพียงพอ ณ ความยาวคลื่นดังกล่าวเป็นหนึ่งในความท้าทายหลักด้านวิศวกรรมที่ทั้งสองทีมต้องเผชิญ

คำว่า “นิวเคลียร์” ไม่ได้หมายความว่านาฬิกาทำงานด้วยเครื่องปฏิกรณ์ ฟิชชัน หรือฟิวชัน ทอเรียม 229 เป็นสารกัมมันตรังสี แต่การสลายตัวของมันไม่ใช่กลไกการนับเวลา นาฬิกาใช้แสงเลเซอร์ตรวจวัดการเปลี่ยนผ่านภายในนิวเคลียส

นิวเคลียสมีขนาดเล็กกว่าอะตอมมากกว่าหนึ่งหมื่นเท่า และมีอิเล็กตรอนโดยรอบช่วยกำบังอยู่บางส่วน โดยทั่วไปจึงตอบสนองต่อการรบกวนจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กภายนอกได้น้อยกว่า ซึ่งอาจเปิดทางไปสู่แหล่งอ้างอิงความถี่ที่เสถียรยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม การทดลองในปัจจุบันยังแสดงให้เห็นว่าการฝังนิวเคลียสไว้ในผลึกไม่ได้ขจัดผลกระทบจากสภาพแวดล้อมทั้งหมด

ผลึกช่วยปรับแก้เลเซอร์อย่างไร

ทั้งสองทีมฝังทอเรียม 229 ไว้ในผลึกแคลเซียมฟลูออไรด์ แล้วฉายแสงเลเซอร์ต่อเนื่องที่ความยาวคลื่นใกล้ 148.4 นาโนเมตร เมื่อตรงกับการเปลี่ยนผ่านนิวเคลียร์ที่เลือกไว้ นิวเคลียสจะดูดกลืนแสง เครื่องตรวจวัดจะวัดแสงที่ส่องผ่าน ทำให้นักวิจัยระบุได้ว่าเลเซอร์เลื่อนออกจากภาวะเรโซแนนซ์หรือไม่

จากนั้นวงจรป้อนกลับอิเล็กทรอนิกส์จะปรับความถี่เลเซอร์ให้กลับมาอยู่ในตำแหน่งเดิม นิวเคลียสจึงไม่ได้เป็นเพียงวัตถุที่ถูกวัดอีกต่อไป แต่การตอบสนองของมันเป็นตัวบังคับออสซิลเลเตอร์ที่สร้างสัญญาณนาฬิกา

บทความวิจัยนาฬิกาจากเวียนนาของทีมยุโรปซึ่งมี Luca Toscani de Col เป็นหัวหน้าทีม อธิบายระบบป้อนกลับความเร็วสูงที่อาศัยสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนในผลึกขนาดกว้างเพียงไม่กี่มิลลิเมตร และทำงานที่อุณหภูมิห้อง โพรงเชิงแสงแยกต่างหากช่วยรักษาเสถียรภาพในช่วงเวลาสั้น ๆ ขณะที่การเปลี่ยนผ่านนิวเคลียร์ช่วยแก้การเลื่อนของความถี่ในระยะยาว

การดูดกลืนมีความสำคัญ เพราะการรอให้นิวเคลียสสถานะกระตุ้นปล่อยแสงอาจใช้เวลานาน บทความจากเวียนนารายงานว่าการวัดการดูดกลืนให้โฟตอนสัญญาณต่อวินาทีมากกว่าการตรวจจับฟลูออเรสเซนซ์ราวหนึ่งพันเท่า จึงปรับแก้ได้ในช่วงเวลาที่สั้นกว่าอายุของสถานะกระตุ้น และค้นหาการเปลี่ยนแปลงของการเปลี่ยนผ่านได้เร็วขึ้น

สองห้องทดลอง เลือกแนวทางวิศวกรรมต่างกัน

ความร่วมมือยุโรปประกอบด้วยนักวิจัยจากเยอรมนี ออสเตรีย และเช็กเกีย ส่วนการทดลองในปักกิ่งมีมหาวิทยาลัย Tsinghua สถาบัน Beijing Academy of Quantum Information Sciences และผู้ร่วมงานจากทั่วจีน Beichen Huang เป็นผู้เขียนชื่อแรกของงานวิจัยจากจีน

เวียนนาใช้ผลึกที่มีความเข้มข้นของทอเรียมสูงกว่า ขณะที่ปักกิ่งชดเชยปริมาณไอโซโทปที่มีจำกัดด้วยกำลังเลเซอร์ที่สูงกว่ามาก ทั้งสองแนวทางมุ่งแก้ปัญหาเดียวกัน คือทำให้ได้สัญญาณการดูดกลืนที่ใช้งานได้มากพอจะระบุว่าเลเซอร์ห่างจากเรโซแนนซ์นิวเคลียร์เพียงใด

บทความวิจัยนาฬิกาจาก Tsinghuaของทีมจีนอธิบายแหล่งกำเนิดแสงที่ผลิตอัลตราไวโอเลตกำลัง 10 ไมโครวัตต์ ด้วยกระบวนการผสานสนามเลเซอร์ในไอแคดเมียม โดยมีแสงประมาณ 5 ไมโครวัตต์ไปถึงผิวหน้าผลึก ส่วนอุปกรณ์ของทีมยุโรปใช้วิธีแปลงความถี่แบบไม่เชิงเส้นอีกแบบหนึ่ง ซึ่งอาศัยผลึกสตรอนเชียมเตตระบอเรต

ทีมปักกิ่งปลูกผลึกแคลเซียมฟลูออไรด์ที่ปรับปรุงแล้วจากสารละลายซึ่งมีทอเรียม 229 เพียง 1.4 ไมโครกรัม และมีกัมมันตภาพ 10 กิโลเบ็กเคอเรล ค่ากัมมันตภาพนี้วัดจำนวนการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี ไม่ใช่จังหวะการเดินของนาฬิกา บทความระบุว่าการขาดแคลนไอโซโทปทำให้แทบไม่มีโอกาสทดลองปลูกผลึกซ้ำเพื่อปรับปรุงกระบวนการ

Shiqian Ding นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Tsinghua ระบุว่า การสาธิตโดยทีมอิสระทั้งสองทีมช่วยเพิ่มความเชื่อมั่นว่าแนวคิดนาฬิกานี้ใช้ได้กับการออกแบบทางเทคนิคที่ต่างกัน:

ทำงานอย่างเป็นอิสระต่อกันและสร้างนาฬิกานิวเคลียร์ทอเรียม 229 ที่ทำงานได้สำเร็จในเวลาไล่เลี่ยกัน โดยใช้แนวทางการทดลองต่างกัน ผมคิดว่านี่เป็นเรื่องที่น่ายินดีมาก เพราะแสดงให้เห็นว่าแนวคิดนี้แข็งแกร่งและไม่ได้ขึ้นอยู่กับการนำไปใช้ทางเทคนิคแบบใดแบบหนึ่งโดยเฉพาะ

ทั้งสองกลุ่มตั้งใจปรับปรุงระบบของตนและนำบทเรียนจากทั้งสองแนวทางมาผสมผสานกัน การเพิ่มจำนวนนิวเคลียสและปริมาณแสงอัลตราไวโอเลตที่นำมาใช้ได้อาจช่วยให้ได้สัญญาณที่แรงกว่าการพึ่งพาข้อได้เปรียบอย่างใดอย่างหนึ่งเพียงอย่างเดียว

ต้นแบบมีความเที่ยงตรงเพียงใด?

บทความจากเวียนนารายงานความไม่เสถียรของความถี่แบบเศษส่วนที่ 3 × 10^-12 หารด้วยรากที่สองของเวลาเฉลี่ยซึ่งมีหน่วยเป็นวินาที ส่วนบทความจากจีนรายงานค่า 5 × 10^-13 ภายใต้รูปแบบการปรับสเกลเดียวกัน เมื่อนำค่าสัมประสิทธิ์ทั้งสองมาหารกันจะได้หก ซึ่งเป็นที่มาของการเปรียบเทียบนาฬิกาทั้งสองเรือน

ความไม่เสถียรของความถี่บอกว่าความเร็วของนาฬิกาผันผวนมากน้อยเพียงใดในระหว่างการวัด การเฉลี่ยช่วยลดความผันผวนแบบสุ่มได้ ส่วนความแม่นยำตอบคำถามอีกข้อหนึ่ง คือความถี่ที่วัดได้ใกล้เคียงค่าที่ถูกต้องเพียงใดหลังคำนึงถึงค่าคลาดเคลื่อนแล้ว ขณะที่ความสามารถในการทำซ้ำหมายถึงการทดลองอีกรอบหรือการใช้ผลึกอีกก้อนให้ผลเหมือนเดิมหรือไม่

Dolores del Campo Maldonado ผู้อำนวยการฝ่ายปริมาณเชิงกลและวิศวกรรมของศูนย์มาตรวิทยาสเปน ระบุว่าจุดแข็งที่แตกต่างกันคือเสถียรภาพระยะสั้นที่ดีกว่าของนาฬิกาจีน และการเปรียบเทียบการทดลองจากออสเตรียกับนาฬิกาอิตเทอร์เบียม อย่างไรก็ตาม ไม่มีผลการทดลองใดที่ยืนยันว่าต้นแบบเหนือกว่านาฬิกาอะตอมที่ดีที่สุดในทุกด้าน

รายงานต่าง ๆ แปลงผลการวัดเป็นค่าคลาดเคลื่อนสะสมของเวลาไม่ตรงกัน TU Wien ระบุว่าต้นแบบจากเวียนนาคลาดเคลื่อนประมาณหนึ่งวินาทีใน 30 ล้านปี โดยอิงจากความเที่ยงตรงใกล้ระดับ 10^-15 ส่วนรายงานอีกฉบับระบุว่านาฬิกายุโรปคลาดเคลื่อนประมาณหนึ่งวินาทีใน 3 ล้านปี และอุปกรณ์จากจีนหนึ่งวินาทีใน 19 ล้านปี ก่อนหน้านี้มีคำอธิบายผลการทดลองจากจีนว่าความไม่เสถียรอยู่ใกล้ระดับหนึ่งส่วนใน 10 ล้านล้านหลังผ่านไปหนึ่งวัน ขณะที่บทความฉบับสมบูรณ์รายงานการเฉลี่ยจนถึงระดับ 10^-15 ในช่วงเวลาที่วัด

ไม่ควรถือว่าตัวเลขเหล่านี้เป็นหลักประกันความแม่นยำสัมบูรณ์ที่ใช้แทนกันได้ การเปรียบเทียบที่ปลอดภัยที่สุดคือใช้ค่าความไม่เสถียรที่ตีพิมพ์พร้อมเงื่อนไขการเฉลี่ย นาฬิกาอะตอมเชิงแสงในปัจจุบันยังทำผลงานได้ดีกว่า โดยมีรายงานว่าคลาดเคลื่อนเทียบเท่าหนึ่งวินาทีในเวลาหลายหมื่นล้านปี รวมถึงตัวอย่างนาฬิกาอิตเทอร์เบียมที่ 23,000 ล้านปี

ผลึกยังคงส่งผลต่อผลการวัด

งานวิจัยจากเวียนนาพบว่าความถี่ที่วัดในคนละวันทำซ้ำได้เพียงระดับประมาณ 5 × 10^-13 ซึ่งแย่กว่าความไม่เสถียรที่ทำได้ระหว่างการเดินเครื่องต่อเนื่อง ก่อนเริ่มแต่ละรอบ เลเซอร์ต้องจัดแนวใหม่ ทำให้แสงผ่านบริเวณต่างกันเล็กน้อยภายในผลึก

การวัดคนละตำแหน่งพบว่าความถี่กึ่งกลางของการเปลี่ยนผ่านเลื่อนได้สูงสุด 1.7 กิโลเฮิรตซ์ นักวิจัยสงสัยว่าเกิดจากแรงเครียดเฉพาะจุดอันเนื่องมาจากโครงสร้างผลึกที่ไม่สม่ำเสมอ การวัดซ้ำ ณ ตำแหน่งเดิมให้ผลที่ทำซ้ำได้ ซึ่งสนับสนุนความจำเป็นในการควบคุมเส้นทางที่เลเซอร์ผ่านวัสดุ

ทีมปักกิ่งทดสอบผลึกสองก้อนที่ผลิตแยกจากกัน ความถี่การเปลี่ยนผ่านที่วัดได้ต่างกันราว 560 เฮิรตซ์ หรือคิดเป็นความแตกต่างแบบเศษส่วน 2.8 × 10^-13 โดยมีความไม่แน่นอน 0.6 × 10^-13 ผลของผลึกทั้งสองยังสอดคล้องภายในค่าความไม่แน่นอนรวมกับการวัดก่อนหน้านี้จากผลึกแคลเซียมฟลูออไรด์อื่น ๆ ที่สถาบัน JILA ในสหรัฐฯ

อุปกรณ์ของจีนควบคุมความผันผวนของอุณหภูมิและใช้ฉากกำบังสนามแม่เหล็ก ผลึกที่ปรับปรุงแล้วส่งผ่านแสงอัลตราไวโอเลตได้ 7% เทียบกับประมาณ 1% ในผลึกก่อนหน้า เมื่อรวมกับการปรับปรุงเครื่องตรวจจับและสัญญาณการดูดกลืนที่แรงขึ้นแล้ว การปรับปรุงเหล่านี้ช่วยลดสัญญาณรบกวนในการวัดลงอย่างมาก

Akio Kawasaki จากสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติของญี่ปุ่น ระบุว่าสนามไฟฟ้าภายนอกเป็นแหล่งสำคัญของความไม่แน่นอนในนาฬิกา การเปลี่ยนผ่านในนิวเคลียสมีคุณสมบัติต้านทานการรบกวนดังกล่าว แต่ผลจากต้นแบบแสดงให้เห็นว่ายังคงต้องคำนึงถึงคุณภาพของวัสดุ การควบคุมอุณหภูมิ และการประเมินการเลื่อนของความถี่อย่างรอบคอบ

ค้นหาสสารมืดโดยไม่พบสัญญาณ

ทีมเวียนนาเปรียบเทียบนาฬิกานิวเคลียร์กับนาฬิกาไอออนอิตเทอร์เบียมที่สำนักงานมาตรวิทยาและการสำรวจแห่งสหพันธรัฐของออสเตรีย โดยใช้การเชื่อมต่อผ่านใยแก้วนำแสงที่รักษาเสถียรภาพไว้ การทดลองค้นหาความผันแปรเป็นคาบและการเลื่อนอย่างช้า ๆ ของอัตราส่วนความถี่ในช่วงเวลาประมาณ 23 ชั่วโมง เพื่อตรวจสอบช่วงเวลาตั้งแต่ 20 วินาทีถึงราวหนึ่งวัน

ทฤษฎีบางแบบคาดการณ์ว่าสสารมืดมวลเบาพิเศษอาจทำให้ค่าคงที่พื้นฐานเกิดการสั่นเล็กน้อย การเปลี่ยนผ่านในนิวเคลียสและในอิเล็กตรอนจะตอบสนองต่างกัน การเปรียบเทียบนาฬิกาทั้งสองจึงเป็นการทดสอบที่มีประโยชน์ ไม่พบสัญญาณเป็นคาบที่มีนัยสำคัญทางสถิติ และค่าการเลื่อนอย่างช้าที่วัดได้สอดคล้องกับศูนย์

การไม่พบสัญญาณทำให้ทีมจำกัดขอบเขตของอันตรกิริยาที่อาจเกิดขึ้นกับโฟตอน แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม และมวลควาร์กได้ ขีดจำกัดเกี่ยวกับโฟตอนมีความเข้มงวดทัดเทียมกับผลจากนาฬิกาอะตอมชั้นนำที่เปรียบเทียบกันได้ สำหรับอันตรกิริยาบางรูปแบบของแรงอย่างเข้มและควาร์ก บทความรายงานว่าความไวขยายเข้าไปในช่วงพารามิเตอร์ที่ทดสอบได้ลึกกว่าการทดลองนาฬิกาอะตอมก่อนหน้าถึง 10 ถึง 1,000 เท่า

ข้อได้เปรียบของทอเรียมมาจากสมดุลพลังงานที่ไม่ธรรมดา องค์ประกอบทางแม่เหล็กไฟฟ้าและนิวเคลียร์ที่มีขนาดใหญ่กว่ามากหักล้างกันเกือบหมด เหลือการเปลี่ยนผ่านขนาดเล็กที่ 8.4 อิเล็กตรอนโวลต์ ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยขององค์ประกอบเหล่านั้นจึงอาจทำให้ความถี่นาฬิกาเปลี่ยนแปลงได้มากเมื่อเทียบกัน

José R. Crespo López-Urrutia นักวิจัยจากสถาบันฟิสิกส์นิวเคลียร์ Max Planck ในเมืองไฮเดลแบร์ก ประเมินว่านาฬิกานี้อาจไวต่อผลกระทบจากสสารมืดสมมติบางประเภทมากกว่านาฬิกาอะตอมเชิงแสงที่ดีที่สุดเกือบ 10,000 เท่า ตัวเลขดังกล่าวหมายถึงการตอบสนองที่อาจเกิดขึ้นต่อผลบางประเภทที่เลือกไว้ ไม่ใช่การพัฒนาการจับเวลาให้ดีขึ้นในทุกด้านหรือการตรวจพบสสารมืด เขาเปิดเผยว่าเคยร่วมงานกับผู้เขียนบางกลุ่มมาก่อน แต่ไม่ได้มีส่วนโดยตรงในการศึกษานี้

บทความจากเวียนนายังเตือนว่าไม่อาจคำนวณค่าความไวที่แน่นอนได้ในขณะนี้ เนื่องจากยังไม่ทราบพารามิเตอร์ของนิวเคลียบางค่า ผลการศึกษาจึงจำกัดขอบเขตของแบบจำลองและอันตรกิริยาบางประเภท ไม่ได้ครอบคลุมสสารมืดทุกรูปแบบที่เป็นไปได้

หมุดหมายสู่การสร้างนาฬิกาที่ใช้งานได้

ผลการทดลองล่าสุดเกิดขึ้นหลังจากการทำงานหลายปีเพื่อยืนยันการมีอยู่ของสถานะกระตุ้น ระบุพลังงานของมัน และพัฒนาเลเซอร์ที่เหมาะสม Schumm กล่าวว่า ทีมของเขาทำงานมุ่งสู่การสร้างนาฬิกานิวเคลียร์มาตั้งแต่ปี 2008 ส่วน Peik และ Christian Tamm เสนอแนวทางนาฬิกาทอเรียมในปี 2003

• 2016: ตามประวัติที่บทความจากเวียนนาระบุ นักวิจัยสาธิตการมีอยู่ของไอโซเมอร์ทอเรียมผ่านกระบวนการสลายตัว
• 12 กันยายน 2019: TU Wien กล่าวถึงการทดลองสองชุดที่ช่วยปรับปรุงความรู้เกี่ยวกับการเปลี่ยนผ่าน ก่อนที่จะมีนาฬิกาที่ทำงานได้จริง
• เมษายน 2024: ความร่วมมือระหว่าง TU Wien และ PTB กระตุ้นการเปลี่ยนผ่านนิวเคลียร์ของทอเรียมโดยตรงด้วยแสงเลเซอร์
• ฤดูใบไม้ร่วง 2024: นักวิจัยเชื่อมต่ออุปกรณ์กระตุ้นทอเรียมเข้ากับนาฬิกาอะตอมเชิงแสงแบบทั่วไป
• 2025: แหล่งกำเนิดเลเซอร์อัลตราไวโอเลตแบบต่อเนื่องและการวัดการดูดกลืนช่วยให้ตรวจวัดการเปลี่ยนผ่านได้ยาวนานขึ้น
• 7 ตุลาคม 2026: งานวิจัยใน Nature สองชิ้นรายงานนาฬิกานิวเคลียร์ที่ทำงานโดยใช้สัญญาณป้อนกลับ

ประกาศหมุดหมายในปี 2019ของ TU Wien ให้รายละเอียดการวัดทางอ้อมโดยใช้ไอออนทอเรียมที่เกิดจากการสลายตัวของยูเรเนียม 233 มีไอออนประมาณ 2% ที่อยู่ในสถานะกระตุ้น เมื่อนำไอออนผ่านกราฟีนจะถูกทำให้เป็นกลาง และพลังงานของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาในภายหลังช่วยให้นักวิจัยระบุพลังงานของสถานะนิวเคลียร์ได้

การทดลองอีกชุดหนึ่งในญี่ปุ่นใช้รังสีเอกซ์ซินโครตรอนความเข้มสูงกระตุ้นสถานะนิวเคลียร์ที่มีพลังงานสูงกว่ามาก ซึ่งสลายตัวเป็นส่วนใหญ่ไปสู่ไอโซเมอร์เป้าหมาย ทั้งหมดนี้เป็นขั้นตอนเพื่อค้นหาและวัดการเปลี่ยนผ่าน ไม่ใช่การสาธิตนาฬิกาที่ทำงานได้

บทความภาพรวมทางวิชาการของ quantA ยกความดีความชอบให้กลุ่มของ Schumm ในการระบุพลังงานของการเปลี่ยนผ่านได้ถึง 12 ตำแหน่งทศนิยม และพัฒนาการกระตุ้นด้วยอัลตราไวโอเลตผ่านการสร้างฮาร์มอนิกอันดับสูง บทความระบุว่าการสร้างต้นแบบเป็นช่วงงานวิศวกรรมภายใต้โครงการ Cluster of Excellence ของ quantA และโครงการ ERC Synergy การสาธิตระบบป้อนกลับครั้งใหม่นี้พัฒนาต่อจากขั้นตอนก่อนหน้านั้น

ต้องปรับปรุงอะไรบ้างก่อนใช้งานจริง?

สิ่งที่ต้องเร่งดำเนินการคือเลเซอร์ที่แรงและเสถียรกว่า เครื่องตรวจจับที่ดีขึ้น และผลึกที่บริสุทธิ์และสม่ำเสมอยิ่งขึ้น เวียนนาต้องเพิ่มความสามารถในการทำซ้ำระหว่างการทดลองแต่ละรอบ ส่วนปักกิ่งกำลังศึกษาใช้วัสดุผลึกตัวกลางที่ดีขึ้น และอาจสร้างนาฬิกาไอออนทอเรียม ซึ่งจะแยกนิวเคลียสออกจากสภาพแวดล้อมได้มากขึ้น แต่สร้างได้ยากกว่าในทางเทคนิค

รายงานยังให้ค่าความกว้างของเรโซแนนซ์ต่างกัน Peik ระบุค่าที่วัดได้ 30 กิโลเฮิรตซ์ ขณะที่บทความจากเวียนนาใช้ค่าประมาณ 100 กิโลเฮิรตซ์ในการวิเคราะห์สมรรถนะของนาฬิกา ส่วนบทความจากจีนรายงาน 27 กิโลเฮิรตซ์สำหรับการเปลี่ยนผ่านที่เลือกไว้ในผลึกที่ปรับปรุงแล้ว ไม่ควรนำค่าที่วัดเหล่านี้มารวมเป็นค่าความกว้างเดียวกัน และทั้งหมดก็ยังกว้างกว่าเรโซแนนซ์นิวเคลียร์ตามธรรมชาติที่คาดไว้มาก ซึ่งบ่งชี้ว่ายังพัฒนาต่อได้อีก

การนำไปใช้ที่อาจเกิดขึ้นมีทั้งระบบนำทางผ่านดาวเทียม โทรคมนาคม การรับส่งข้อมูลที่ซิงโครไนซ์กัน และการสำรวจ คำชี้แจงเรื่องการใช้งานในปี 2024ของ TU Wien ยังกล่าวถึงการวัดสนามโน้มถ่วงของโลกจากผลของแรงโน้มถ่วงที่ทำให้อัตราการเดินของนาฬิกาเปลี่ยนไป ซึ่งอาจนำไปใช้ค้นหาแร่และศึกษาการเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลก การกล่าวถึงการพยากรณ์แผ่นดินไหวเป็นเพียงการใช้งานที่อาจเกิดขึ้นในอนาคต ไม่ใช่ความสามารถที่สาธิตแล้ว

Daniel de Mercado นักฟิสิกส์จากศูนย์มาตรวิทยาสเปน อธิบายว่าการวัดการเปลี่ยนผ่านอย่างแม่นยำช่วยทดสอบได้ว่าค่าที่สังเกตพบแตกต่างจากคำทำนายทางทฤษฎีหรือไม่ ความแตกต่างดังกล่าวอาจชี้ถึงอันตรกิริยาที่ยังไม่รู้จัก สำหรับต้นแบบในปัจจุบัน บทบาทด้านการวิจัยนี้มีความเป็นไปได้ในระยะใกล้กว่าการนำไปแทนที่นาฬิกาในโครงสร้างพื้นฐานที่ใช้ในชีวิตประจำวัน

Del Campo มองว่าความแม่นยำที่ดีกว่าระดับ 10^-19 อาจเป็นข้อได้เปรียบในอนาคต แต่สงสัยว่านาฬิกานิวเคลียร์จะพร้อมมีอิทธิพลต่อการปรับนิยามวินาทีที่อาจเกิดขึ้นในปี 2030 หรือไม่ ยังไม่มีการยืนยันกำหนดเวลาเริ่มใช้งานหรือแผนเปลี่ยนมาตรฐานเวลาที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน การทำงานขั้นต่อไปคือพิสูจน์ว่าอุปกรณ์ที่ปรับปรุงแล้วสามารถผสานความไม่เสถียรต่ำ ความถี่ที่ทำซ้ำได้ และความแม่นยำที่เข้าใจอย่างชัดเจนไว้ด้วยกัน

ประเด็นสำคัญ

• ทีมอิสระจากยุโรปและจีนรายงานนาฬิกานิวเคลียร์ทอเรียมที่ทำงานได้ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 7 ตุลาคม 2026
• นาฬิกาทั้งสองใช้การดูดกลืนแสงอัลตราไวโอเลตในผลึกแคลเซียมฟลูออไรด์ที่มีทอเรียม เพื่อปรับแก้ความถี่เลเซอร์
• ต้นแบบจากเวียนนาทำงานโดยไม่ต้องมีผู้ควบคุมนานกว่า 24 ชั่วโมง
• ค่าสัมประสิทธิ์ความไม่เสถียรที่รายงานของนาฬิกาจีนต่ำกว่าของยุโรปหกเท่า
• ต้นแบบทั้งสองยังไม่เหนือกว่านาฬิกาอะตอมเชิงแสงที่ดีที่สุด
• การค้นหาสสารมืดของทีมเวียนนาไม่พบสัญญาณ แต่ช่วยจำกัดขอบเขตอันตรกิริยาทางทฤษฎีบางประเภท
• ความสม่ำเสมอของผลึก กำลังเลเซอร์ และความสามารถในการทำซ้ำยังเป็นความท้าทายสำคัญก่อนนำไปใช้งานจริง