طور العلماء تقنية جديدة تعتمد على استخدام أفلام رقيقة من "رباعي فلوريد الثوريوم" (ThF₄) لتصميم ساعات نووية دقيقة، هذه التقنية تقلل من مستوى النشاط الإشعاعي، مما يجعل الساعات النووية أقل تكلفة وأكثر أماناً مقارنة بالنماذج السابقة.

اختراق في تكنولوجيا الساعات النووية

الساعات النووية تمثل ثورة في قياس الوقت لأنها تعتمد على انتقالات الطاقة داخل نواة الذرة بدلاً من الانتقالات الإلكترونية، هذه التقنية تقدم دقة لا مثيل لها بفضل مقاومة النواة للتأثيرات الخارجية.

ومع ذلك، كانت العقبات أمام تصميم هذه الساعات عديدة، أبرزها ندرة وتكلفة النظير "ثوريوم-229".

في دراسة حديثة نُشرت في مجلة Nature، تعاون فريق بقيادة مختبر JILA ومعهد NIST مع جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA) لتطوير طريقة جديدة تعتمد على استخدام أفلام رقيقة من "رباعي فلوريد الثوريوم". هذه الطريقة قللت النشاط الإشعاعي بألف مرة وجعلت الساعات أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية.

أهمية الأفلام الرقيقة

التقنية الجديدة مشابهة للتطبيقات في صناعة أشباه الموصلات والدارات الضوئية المدمجة. هذا يشير إلى إمكانية تحويل الساعات النووية إلى أجهزة محمولة وفعّالة من حيث التكلفة.

قال البروفيسور "جون يي" من JILA:

"الميزة الرئيسية للساعات النووية هي قابليتها للنقل، ولتحقيق هذا الهدف يجب أن تكون الأنظمة صغيرة الحجم، قليلة التكلفة، وآمنة للمستخدمين."

التحديات والتكاليف المرتبطة بالساعات النووية

تتطلب الساعات النووية عادةً كميات كبيرة من "ثوريوم-229"، الذي يتم الحصول عليه من اليورانيوم. ومع ذلك، فإن استخدام البلورات الملوثة بالثوريوم كان يتطلب مواد مشعة بكميات كبيرة، مما يرفع التكاليف ومخاطر السلامة.

يقول "جيك هيغنز"، باحث ما بعد الدكتوراه في JILA:

> "ثوريوم-229 أغلى من بعض البروتينات المخصصة التي عملت معها سابقاً."

منهجية التصنيع باستخدام التبخير الفيزيائي

اعتمد الفريق على تقنية "ترسيب البخار الفيزيائي" لتصنيع الأفلام الرقيقة. يتم تسخين الفلوريد في غرفة حتى يتبخر، ثم يتكثف على سطح شفّاف مثل الياقوت أو فلوريد المغنيسيوم، مشكلاً طبقة رقيقة بسمك 100 نانومتر.

"عندما يلمس الجزيء سطح الركيزة، يلتصق به، مما يتيح تكوين طبقة رقيقة ومتجانسة"، يقول "تشوانكون زانغ"، طالب دراسات عليا في JILA.

تحسين الإشارات النووية

على الرغم من التقدم، واجه الباحثون تحديات تتعلق بتغير بيئة الثوريوم داخل الأفلام الرقيقة، مما أدى إلى تباين في انتقالات الطاقة. لاختبار الأفلام، استخدم فريق UCLA ليزرًا عالي الطاقة لمطابقة الطاقة المطلوبة لتحفيز انتقالات النواة.

يقول "تيان أوي"، طالب دراسات عليا في JILA:

"كان من المثير أن نرى إشارة التحلل النووي تظهر بالفعل في الأفلام الرقيقة."

مستقبل قياس الوقت بدقة

الأفلام الرقيقة تقدم ميزة مهمة من حيث العدد الهائل للذرات المتاحة داخل المادة الصلبة، مما يزيد من استقرار الساعة مقارنةً بالساعات التقليدية التي تعتمد على الأيونات المحبوسة.

يقول "هيغنز":

"عدد الذرات في المادة الصلبة أكبر بأضعاف كثيرة مقارنة بالأيونات المحبوسة، مما يعزز استقرار الساعة."

من المتوقع أن تسهم الساعات النووية في تطوير أجهزة مدمجة ومحمولة يمكن استخدامها في مجالات مثل الاتصالات والملاحة.

"تخيل ساعة يمكن ارتداؤها على المعصم! قد نتمكن في المستقبل البعيد من تصغير كل شيء إلى هذا المستوى"، يضيف "أوي"

بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه التقنية أن تقودنا إلى اكتشافات جديدة في الفيزياء.

"إذا حالفنا الحظ، قد تساعدنا هذه الساعات في الكشف عن فيزياء جديدة"، يقول "جاك دويل"، طالب دراسات عليا في JILA.

تعد هذه الأفلام الرقيقة خطوة كبيرة نحو تطوير ساعات نووية دقيقة، آمنة، وفعالة من حيث التكلفة. مع استمرار البحث، قد تُحدث هذه التكنولوجيا تغييرا جذريا في طريقة قياس الوقت واستخدامه في التطبيقات المستقبلية.