En kjerneklokke – en klokke som måler tid med kjernen i et atom i stedet for elektronene – har endelig begynt å tikke. I Wien holdt en laser, låst til toriumkjerner inne i en krystall, sin egen rytme i over et døgn uten at noen rørte den, og et team i Beijing bygde en annen klokke av samme type på egen hånd.
Det gjør dem til de første fungerende kjerneklokkene – en enhet fysikere har jaget i flere tiår. Kjernen er bitte liten og skjermet av sin egen elektronsky, så spredte felt, varme og vibrasjoner når den knapt. En klokke bygget på den kan en dag holde tiden mer stabilt enn atomklokkene som styrer satellittnavigasjon, internett og definisjonen av sekundet.
Wien-klokken kommer fra Thorsten Schumm sin gruppe ved TU Wien og Ekkehard Peik sin gruppe ved PTB, Tysklands nasjonale metrologiinstitutt. Beijing-klokken kommer fra et team ved Tsinghua-universitetet ledet av Shiqian Ding, i samarbeid med 13 andre kinesiske institusjoner. Begge artiklene ble publisert i samme utgave av Nature, og begge bruker den samme sjeldne isotopen, torium-229.
«Å lage en kjerneklokke var noe fysikere drømte om i nesten 50 år,» sa Schumm til Reuters. Hans eget team har jobbet mot det siden 2008.
Slik holder en krystall og en laser tiden
Hver klokke trenger noe som svinger med en fast frekvens. I en pendelklokke er det pendelen. I en atomklokke er det lyset et elektron absorberer når det hopper mellom to energinivåer, som i de beste moderne optiske klokkene svinger langt raskere enn noen mekanisk del kunne.
En kjerneklokke flytter den jobben inn i kjernen. Protoner og nøytroner har også energinivåer, men nesten alle ligger altfor høyt til at noen laser kan nå dem. Torium-229 er unntaket: kjernen har en eksitert tilstand lav nok til å drives av ultrafiolett lys ved en bølgelengde på omtrent 148 nanometer. Å treffe den er fortsatt vanskelig. Laseren må matche overgangsenergien til innenfor en milliondels elektronvolt, ifølge PTB.
Schumm sitt team dyrket kalsiumfluoridkrystaller dopet med torium-229, millimeterstore biter som inneholder et stort antall kjerner ved romtemperatur. «Den grunnleggende ideen er enkel: du har en laser, og du har torium,» sa Schumm. Kjernene absorberer lys bare ved én presis frekvens. Hvis laseren driver, for eksempel fordi rommet blir litt varmere, absorberer krystallen mindre, en detektor registrerer fallet, og en tilbakekoblingssløyfe styrer laseren tilbake. Kjernene blir referansen, og den korrigerte laserkrekvensen blir klokkens tikk.
To tekniske endringer gjorde dette mulig. PTB og Max Born Institute i Berlin bygde en kompakt faststofflaser som avgir kontinuerlig; det eldre systemet fylte flere kvadratmeter med optiske bord og avfyrte bare i pulser. Teamene sluttet også å telle den svake gløden kjernene avgir etter eksitasjon, som tok rundt ti minutter å lese av – altfor sakte for å styre en laser. I stedet måler de hvor mye laserkraft krystallen svelger, et signal raskt nok til å lukke sløyfen.
Wien mot Beijing
Wien-klokken gikk i over 24 timer uten tilsyn mens den ble sammenlignet med en konvensjonell optisk atomklokke. Dens fraksjonelle ustabilitet var omtrent 3 × 10⁻¹² over ett sekunds måling, og denne spredningen krympet mot 10⁻¹⁵ over et døgn. TU Wien oversetter det til en feil på omtrent ett sekund på 30 millioner år – et tall målt over en døgnlang kjøring, ikke observert over millioner av år.
Beijing-klokken er mer stabil over korte perioder. Ustabiliteten over ett sekund er omtrent seks ganger lavere enn Wiens, ifølge tall rapportert av Physics World. Ding sitt team bygde sin egen kontinuerlige laser ved 148,4 nanometer med mer kraft, og det lærte å dyrke små krystaller fra bare 1,4 mikrogram torium-229, fordi Kina har begrenset tilgang til isotopen. To uavhengig dyrkede krystaller ga samme overgangsfrekvens, som også samsvarte med tidligere målinger fra JILA i Colorado.
Schumm ser de to resultatene som komplementære. Wien-krystallene bærer en høyere konsentrasjon av torium og har bedre optiske egenskaper, sa han til Reuters, mens Beijing-teamet har den sterkere laseren. «Så ved å sette disse komponentene sammen kan vi allerede bygge en betydelig bedre klokke,» sa han.
«De to teamene jobbet uavhengig og nådde fungerende torium-229 kjerneklokker samtidig, ved å bruke forskjellige eksperimentelle tilnærminger,» sa Ding til Reuters, og la til at dette viser at «konseptet er robust.»
Hva disse klokkene ennå ikke kan
Ingen av klokkene slår atomklokkene de ble målt mot. «Dette er ennå ikke på nivå med verdens beste optiske atomklokker,» sa Schumm. Peik uttrykte seg mer direkte i PTBs kunngjøring: stabiliteten «setter ennå ingen verdensrekorder.»
Det største gapet er skarpheten i resonansen. «Vi har nå sett 30 kHz linjebredde, men den naturlige linjebredden bør være langt under 1 Hz,» sa Peik til Physics World. En uskarp resonans betyr et uskarpt tikk. Krystallen i seg selv er en del av puslespillet: torium sitter på flere forskjellige steder i kalsiumfluoridgitteret, og teamene jobber fortsatt med å forstå hvordan det former resonansen. Ding har sagt at kalsiumfluorid vertskrystaller begrenser ytelsen, og at bedre vertsmaterialer er nødvendig.
Begge maskinene er også laboratorieprototyper. De er avhengige av referanseklokker for sammenligning, av spesialbygde ultrafiolette lasere og av en isotop som er vanskelig å få tak i. En robust enhet som et skip, en satellitt eller et datasenter kan bære, er fortsatt langt unna på ingeniørveien.
Hvorfor fysikere vil ha en bedre klokke
Klokker bestemmer allerede mer av hverdagen enn de fleste legger merke til. Satellittnavigasjon beregner posisjon fra små forskjeller i signalets timing. Datanettverk synkroniseres mot atomtid. Landmålere og geofysikere bruker det faktum at klokker tikker i forskjellige hastigheter i forskjellige høyder i jordens tyngdefelt.
En kjerneklokke tilfører to ting. For det første, et faststoffdesign, uten fangede atomer eller ioner holdt i et vakuumkammer, kan etter hvert gjøre presis tidsmåling mindre og mer robust. For det andre, toriumovergangen avhenger av kreftene inne i kjernen, så den bør reagere langt sterkere enn atomoverganger hvis en naturkonstant driver, eller hvis en eller annen form for mørk materie trekker i vanlig materie. Wien-teamet kjørte allerede den testen med prototypen sin. Det fant ingen signal fra mørk materie, men grensene for mørk materies kobling til lys og til den sterke kraften er allerede sammenlignbare med dem satt av de beste atomklokkene.
Victor Flambaum ved University of New South Wales, som ikke var involvert, kalte enhetene de «første prototypene av kjerneklokker.» Schumm sin dom var bredere: «Det gir tilgang til et helt nytt fysikkunivers.»
Vanlige spørsmål om kjerneklokken
Hva er en kjerneklokke?
En kjerneklokke holder tiden ved hjelp av en overgang inne i en atomkjerne i stedet for et hopp mellom elektronenerginivåer. En laser er innstilt på den nøyaktige frekvensen kjernen absorberer, og den frekvensen blir klokkens tikk. Torium-229 er den eneste kjente kjernen med en overgang lav nok i energi til å nås med en laser.
Er en kjerneklokke radioaktiv eller farlig?
Den har ingenting med fisjon eller fusjon å gjøre og produserer ingen kjerneenergi. Torium-229 er en radioaktiv isotop, men klokkene bruker bitte små mengder låst inne i en krystall, og laseren dytter bare kjernen til en litt høyere energitilstand.
Er en kjerneklokke mer nøyaktig enn en atomklokke?
Ikke ennå. Wien- og Beijing-prototypene er mindre stabile enn de beste optiske atomklokkene. Forventningen er at kjernen, som er langt mindre og bedre skjermet enn elektronskallet, etter hvert vil tillate bedre ytelse når lasere og krystaller forbedres.
Hva kan kjerneklokker brukes til?
Forskere peker på satellittnavigasjon, nettverkssynkronisering, landmåling og grunnleggende fysikk. Fordi toriumovergangen er svært følsom for kreftene inne i kjernen, er disse klokkene også verktøy for å søke etter mørk materie og endringer i naturkonstantene.
Sterkere lasere, bedre krystaller, enkeltioner
Toriumkjernen ble først eksitert med en laser i april 2024, av Schumm og Peik sine team, flere tiår etter at Peik foreslo prinsippet for kjerneklokker i 2003. Den høsten ble oppsettet koblet til en konvensjonell optisk atomklokke. Den selvstabiliserende Wien-klokken er beskrevet i en Nature-artikkel publisert 7. oktober 2026, sammen med Tsinghua-artikkelen i samme utgave og en tilhørende PTB- og TU Wien-studie av kontinuerlig laserabsorpsjon av toriumkjernen, publisert i Nature i september.
De neste stegene er konkrete. Peik sin gruppe planlegger å øke laserkraften, forbedre detektorens signal-til-støy-forhold og kartlegge hvordan torium sitter i krystallen for å finne hva som gjør resonansen uskarp. Ding sitt team leter etter vertskrystaller bedre enn kalsiumfluorid og er interessert i en klokke bygget på enkeltfangede toriumioner, som Ding kalte «teknisk mye vanskeligere» men muligens veien til høyest nøyaktighet.
References: 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