İlk nükleer saatler 50 yıllık arayışın ardından Viyana ve Pekin’de çalışıyor

Elektronları yerine atom çekirdeğini kullanarak zamanı ölçen bir nükleer saat, nihayet işlemeye başladı. Viyana’da, bir kristalin içine hapsedilmiş toryum çekirdeklerine kilitlenen lazer, kimse müdahale etmeden bir tam günden uzun süre kendi ritmini korudu; Pekin’deki bir ekip de aynı türden ikinci bir saati bağımsız olarak inşa etti.

Böylece bunlar, fizikçilerin onlarca yıldır peşinde olduğu ilk çalışan nükleer saatler oldu. Çekirdek son derece küçük ve kendi elektron bulutuyla korunuyor; bu nedenle başıboş alanlar, ısı ve titreşim ona neredeyse hiç ulaşamıyor. Çekirdek temelli bir saat, bir gün uydu navigasyonunu, interneti ve saniyenin tanımını yöneten atom saatlerinden daha kararlı biçimde zamanı tutabilir.

Viyana saati, TU Wien’den Thorsten Schumm’un grubu ile Almanya’nın ulusal metroloji enstitüsü PTB’den Ekkehard Peik’in grubunun çalışması. Pekin saati ise Shiqian Ding’in liderliğinde, diğer 13 Çin kurumuyla birlikte çalışan Tsinghua Üniversitesi ekibinden geliyor. Her iki makale de Nature’ın aynı sayısında yayımlandı ve ikisi de aynı nadir izotopu, toryum-229’u kullanıyor.

Schumm, Reuters’a verdiği demeçte, “Bir nükleer saat yaratmak, fizikçilerin neredeyse 50 yıl boyunca hayalini kurduğu bir şeydi” dedi. Kendi ekibi de bu hedef doğrultusunda 2008’den beri çalışıyor.

Bir kristal ve lazer zamanı nasıl tutuyor?

Her saatin sabit bir hızda salınan bir şeye ihtiyacı vardır. Sarkaçlı saatte bu sarkaçtır. Atom saatinde ise elektronun iki enerji seviyesi arasında sıçrarken soğurduğu ışıktır; en iyi modern optik saatlerde bu ışık, herhangi bir mekanik parçanın ulaşabileceğinden çok daha hızlı salınır.

Nükleer saat bu görevi çekirdeğe taşır. Protonların ve nötronların da enerji seviyeleri vardır, ancak bunların neredeyse tamamı herhangi bir lazerin erişemeyeceği kadar yüksek enerjilidir. Toryum-229 istisnadır: çekirdeğinin, yaklaşık 148 nanometre dalga boyundaki vakum ultraviyole ışıkla uyarılabilecek kadar düşük enerjili bir uyarılmış durumu bulunur. Buna ulaşmak yine de zordur. PTB’ye göre lazerin geçiş enerjisiyle bir elektron voltun milyonda biri hassasiyetinde eşleşmesi gerekir.

Schumm’un ekibi, oda sıcaklığında çok sayıda çekirdeği barındıran, milimetre ölçeğinde toryum-229 katkılı kalsiyum florür kristalleri büyüttü. Schumm, “Temel fikir basit: Bir lazeriniz ve toryumunuz var” dedi. Çekirdekler ışığı yalnızca tek bir kesin frekansta soğurur. Örneğin odanın hafifçe ısınması nedeniyle lazerin frekansı kayarsa kristal daha az ışık soğurur; bir dedektör bu düşüşü kaydeder ve geri besleme döngüsü lazeri yeniden doğru frekansa yönlendirir. Çekirdekler referans haline gelir, düzeltilen lazer frekansı da saatin tikine dönüşür.

Bunu iki teknik değişiklik mümkün kıldı. PTB ve Berlin’deki Max Born Institute, sürekli ışınım yapan kompakt bir katı hâl lazeri geliştirdi; eski sistem birkaç metrekarelik optik masaları kaplıyor ve yalnızca darbeler halinde çalışıyordu. Ekipler ayrıca çekirdeklerin uyarıldıktan sonra yaydığı, okunması yaklaşık on dakika süren ve lazeri yönlendirmek için fazlasıyla yavaş olan zayıf parıltıyı saymaktan vazgeçti. Bunun yerine kristalin ne kadar lazer gücü soğurduğunu ölçüyorlar; bu sinyal, döngüyü kapatacak kadar hızlı.

Viyana, Pekin’e karşı

Viyana saati, geleneksel bir optik atom saatiyle karşılaştırılırken gözetimsiz biçimde 24 saatten uzun süre çalıştı. Kesirli kararsızlığı, bir saniyelik ortalama alma süresinde yaklaşık 3 × 10⁻¹² düzeyindeydi ve bu saçılma bir gün içinde 10⁻¹⁵’e doğru geriledi. TU Wien bunu yaklaşık 30 milyon yılda bir saniyelik hataya karşılık gelecek şekilde ifade ediyor; bu rakam milyonlarca yıl boyunca gözlemlenmiş değil, bir gün süren çalışma sırasında ölçülmüş bir değer.

Pekin saati kısa zaman aralıklarında daha kararlı. Physics World’ün aktardığı verilere göre, bir saniyedeki kararsızlığı Viyana’dakinin yaklaşık altı kat altında. Ding’in ekibi, daha yüksek güce sahip 148,4 nanometrelik kendi sürekli lazerini inşa etti ve Çin’in izotopa erişimi sınırlı olduğundan, yalnızca 1,4 mikrogram toryum-229 kullanarak küçük kristaller büyütmeyi öğrendi. Bağımsız olarak büyütülen iki kristal aynı geçiş frekansını verdi; bu frekans Colorado’daki JILA’nın önceki ölçümleriyle de örtüştü.

Schumm, iki sonucu birbirini tamamlayıcı olarak görüyor. Reuters’a yaptığı açıklamada, Viyana kristallerinin daha yüksek toryum yoğunluğu taşıdığını ve daha iyi optik özelliklere sahip olduğunu, Pekin ekibinin ise daha güçlü lazere sahip bulunduğunu söyledi. “Dolayısıyla bu bileşenleri bir araya getirerek şimdiden kayda değer ölçüde daha iyi bir saat inşa edebiliriz” dedi.

Ding, Reuters’a yaptığı açıklamada, “İki ekip bağımsız çalıştı ve farklı deneysel yaklaşımlar kullanarak aynı anda faal toryum-229 nükleer saatlerine ulaştı” dedi; bunun da “kavramın sağlam olduğunu” gösterdiğini ekledi.

Bu saatlerin henüz yapamadıkları

İki saat de karşılaştırıldıkları atom saatlerini geride bırakmıyor. Schumm, “Bu henüz dünyanın en iyi optik atom saatleri düzeyinde değil” dedi. Peik, PTB duyurusunda bunu daha açık ifade etti: Kararlılık “henüz herhangi bir dünya rekoru kırmıyor.”

En büyük fark, rezonansın keskinliğinde. Peik, Physics World’e, “Şimdi 30 kHz çizgi genişliği gördük, ancak doğal çizgi genişliği 1 Hz’in çok altında olmalı” dedi. Bulanık bir rezonans, bulanık bir tik anlamına gelir. Kristalin kendisi de bilmecenin bir parçası: toryum, kalsiyum florür kafesi içinde birkaç farklı konumda bulunuyor ve ekipler bunun rezonansı nasıl şekillendirdiğini hâlâ çözüyor. Ding, kalsiyum florür ana kristallerinin performansı sınırladığını ve daha iyi ana malzemelere ihtiyaç duyulduğunu söyledi.

Her iki düzenek de laboratuvar prototipi niteliğinde. Karşılaştırma için referans saatlere, özel üretim ultraviyole lazerlere ve elde edilmesi zor bir izotopa bağımlılar. Bir geminin, uydunun ya da veri merkezinin taşıyabileceği dayanıklı bir cihaz için kat edilmesi gereken mühendislik yolu hâlâ uzun.

Fizikçiler neden daha iyi bir saat istiyor?

Saatler, çoğu insanın fark ettiğinden daha fazla gündelik şeyi şimdiden belirliyor. Uydu navigasyonu, konumu sinyal zamanlamasındaki küçücük farklardan hesaplıyor. Veri ağları atom zamanına göre senkronize ediliyor. Haritacılar ve jeofizikçiler, saatlerin Dünya’nın yerçekiminde farklı yüksekliklerde farklı hızlarda işlemesi olgusundan yararlanıyor.

Nükleer saat iki yenilik getiriyor. İlk olarak, vakum odasında tutulan atomlar ya da iyonlar olmadan çalışan katı hâl tasarımı, hassas zaman ölçümünü nihayetinde daha küçük ve daha dayanıklı kılabilir. İkinci olarak, toryum geçişi çekirdek içindeki kuvvetlere bağlı olduğundan, doğa sabitlerinden biri değişirse ya da karanlık maddenin bir türü sıradan madde üzerinde etkide bulunursa atomik geçişlerden çok daha güçlü tepki vermesi bekleniyor. Viyana ekibi bu testi prototipiyle şimdiden gerçekleştirdi. Karanlık madde sinyali bulamadı, ancak karanlık maddenin ışıkla ve güçlü kuvvetle etkileşimine ilişkin sınırları, en iyi atom saatlerinin koyduğu sınırlarla şimdiden karşılaştırılabilir düzeyde.

Çalışmaya dahil olmayan University of New South Wales’ten Victor Flambaum, bu cihazları “nükleer saatlerin ilk prototipleri” olarak niteledi. Schumm’un değerlendirmesi daha genişti: “Bu, yepyeni bir fizik evrenine erişim sağlıyor.”

Nükleer saat hakkında sık sorulan sorular

Nükleer saat nedir?

Nükleer saat, elektron enerji seviyeleri arasındaki bir sıçrama yerine atom çekirdeği içindeki bir geçişi kullanarak zamanı tutar. Bir lazer, çekirdeğin soğurduğu kesin frekansa ayarlanır ve bu frekans saatin tikine dönüşür. Toryum-229, lazerle erişilebilecek kadar düşük enerjili geçişe sahip olduğu bilinen tek çekirdektir.

Nükleer saat radyoaktif ya da tehlikeli mi?

Bunun fisyon veya füzyonla ilgisi yoktur ve nükleer enerji üretmez. Toryum-229 radyoaktif bir izotoptur, ancak saatlerde kristal içine hapsedilmiş çok küçük miktarlarda kullanılır ve lazer çekirdeği yalnızca biraz daha yüksek bir enerji durumuna iter.

Nükleer saat atom saatinden daha mı doğru?

Henüz değil. Viyana ve Pekin prototipleri, en iyi optik atom saatlerinden daha az kararlı. Beklenti, elektron kabuğuna kıyasla çok daha küçük ve daha iyi korunmuş olan çekirdeğin, lazerler ve kristaller iyileştiğinde nihayetinde daha iyi performans sağlayacağı yönünde.

Nükleer saatler ne amaçla kullanılabilir?

Araştırmacılar uydu navigasyonuna, ağ senkronizasyonuna, haritacılığa ve temel fiziğe işaret ediyor. Toryum geçişi çekirdek içindeki kuvvetlere son derece duyarlı olduğu için, bu saatler aynı zamanda karanlık maddeyi ve doğa sabitlerindeki değişimleri aramak için de araç niteliği taşıyor.

Daha güçlü lazerler, daha iyi kristaller, tekli iyonlar

Toryum çekirdeği, Peik’in nükleer saat ilkesini 2003’te önermesinden onlarca yıl sonra, Schumm ve Peik’in ekipleri tarafından Nisan 2024’te ilk kez lazerle uyarıldı. O sonbaharda düzenek geleneksel bir optik atom saatine bağlandı. Kendi kendini kararlı hale getiren Viyana saati, Nature’ın 7 Ekim 2026’da yayımlanan bir makalesinde; aynı sayıdaki Tsinghua makalesiyle ve PTB ile TU Wien’in toryum çekirdeğinin sürekli lazerle soğurulmasına ilişkin, Eylül ayında Nature’da yayımlanan tamamlayıcı çalışmasıyla birlikte anlatılıyor.

Sonraki adımlar somut. Peik’in grubu lazer gücünü artırmayı, dedektörün sinyal-gürültü oranını iyileştirmeyi ve rezonansı neyin bulanıklaştırdığını bulmak için toryumun kristal içindeki konumunu haritalandırmayı planlıyor. Ding’in ekibi kalsiyum florürden daha iyi ana kristaller arıyor; ayrıca Ding’in “teknik açıdan çok daha zor” ancak muhtemelen en yüksek doğruluğa giden yol olarak tanımladığı, tuzağa hapsedilmiş tek toryum iyonları üzerine kurulu bir saatle ilgileniyor.

Kaynaklar: Toscani De Col et al., “A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., “A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Etiketler: fizik, atom saati, nükleer saat, PTB, thorium-229, Tsinghua University