প্রথম কার্যকর থোরিয়াম নিউক্লীয় ঘড়ি: সময় মাপে পরমাণুর নিউক্লিয়াস

নিউক্লীয় সময়রক্ষক এক দিনেরও বেশি সময় চলে

ভিয়েনার একটি প্রোটোটাইপ ২৪ ঘণ্টারও বেশি সময় ধরে কোনো হস্তক্ষেপ ছাড়াই থোরিয়াম নিউক্লিয়াসের সঙ্গে তার লেজারের সমলয়তা বজায় রেখেছে। অন্যদিকে, বেইজিংয়ের একটি স্বতন্ত্র দল আরও শক্তিশালী অতিবেগুনি লেজার ব্যবহার করে একই ধরনের একটি ঘড়ি তৈরি করেছে; তাদের একটি ক্রিস্টাল তৈরিতে থোরিয়াম ২২৯-এর মাত্র ১.৪ মাইক্রোগ্রাম লেগেছে। ২০২৬ সালের ৭ অক্টোবর Nature-এ প্রকাশিত এই দুটি ফলাফল নিউক্লীয় ঘড়িকে সম্ভাবনাময় একটি পরমাণুর নিউক্লিয়াসের পরিমাপ থেকে এমন যন্ত্রে উন্নীত করেছে, যা নিজেই তার টিকটিক নিয়ন্ত্রণ করতে পারে।

থর্স্টেন শুমের নেতৃত্বাধীন ইউরোপীয় সহযোগী দলটি—যেখানে ছিলেন টিইউ ভিয়েনের শুম এবং জার্মানির জাতীয় মেট্রোলজি ইনস্টিটিউট পিটিবির একহার্ড পেইক—এক দিন ধরে গড় করলে এক কোয়াড্রিলিয়নে এক ভাগের কাছাকাছি কম্পাঙ্কের অস্থিরতা অর্জন করেছে। সিংহুয়া বিশ্ববিদ্যালয়ের শিকিয়ান ডিংয়ের নেতৃত্বাধীন চীনা দলটি অস্থিরতার আরও ছোট সহগ জানিয়েছে, যা তাদের প্রকাশিত গড় করার সম্পর্ক অনুযায়ী প্রায় ছয় গুণ বেশি স্থিতিশীলতা নির্দেশ করে।

কোনো প্রোটোটাইপই সেরা অপটিক্যাল পারমাণবিক ঘড়িগুলোকে ছাড়িয়ে যায়নি। বরং সাফল্যটি হলো, এখন একটি নিউক্লীয় রূপান্তর কার্যকর ঘড়ি নিয়ন্ত্রণের জন্য প্রয়োজনীয় প্রতিপুষ্টি জোগাচ্ছে। ভিয়েনার দল ইতিমধ্যে এই সক্ষমতা ব্যবহার করে অতি-হালকা ডার্ক ম্যাটারের সন্ধান চালিয়েছে। কোনো সংকেত মেলেনি, তবে কয়েকটি প্রস্তাবিত মিথস্ক্রিয়ার ওপর সীমা নির্ধারণ করা গেছে।

টিইউ ভিয়েনের নিউক্লীয় ঘড়ি-বিষয়ক ঘোষণায় এমন একটি ব্যবস্থার কথা বলা হয়েছে, যেখানে থোরিয়াম নিউক্লিয়াসের সাড়া বদলালে লেজারের কম্পাঙ্ক স্বয়ংক্রিয়ভাবে সংশোধিত হয়। বিশ্ববিদ্যালয়ের ইনস্টিটিউট অব অ্যাটমিক অ্যান্ড সাবঅ্যাটমিক ফিজিকসের অধ্যাপক শুম মূল লক্ষ্যটি ব্যাখ্যা করে বলেন:

আপনি আসলে এমন একটি স্ব-স্থিতিশীল নিউক্লীয় ঘড়িই চান।

এই পার্থক্যই বর্তমান প্রদর্শনগুলোকে আগের সেই পরীক্ষাগুলো থেকে আলাদা করে, যেখানে থোরিয়াম নিউক্লিয়াসকে উত্তেজিত করা হয়েছিল বা তার রূপান্তর কম্পাঙ্ক মাপা হয়েছিল, কিন্তু আলো স্থিতিশীল রাখতে বাইরের ঘড়ির ওপর নির্ভর করতে হয়েছিল।

থোরিয়াম ২২৯-এর বিশেষত্ব কী?

অপটিক্যাল পারমাণবিক ঘড়িতে কম্পাঙ্কের মানদণ্ড হিসেবে ইলেকট্রনের শক্তিস্তরের মধ্যকার রূপান্তর ব্যবহার করা হয়। নিউক্লীয় ঘড়িতে এই মানদণ্ডকে নিউক্লিয়াসে নেওয়া হয়, যেখানে প্রোটন ও নিউট্রন বিভিন্ন কোয়ান্টাম অবস্থা দখল করতে পারে। দুই ক্ষেত্রেই আলোর নিয়মিত দোলন টিকটিকের কাজ করে, আর নির্বাচিত রূপান্তর লেজারকে সঠিক কম্পাঙ্কে ধরে রাখে।

অধিকাংশ নিউক্লীয় রূপান্তরের জন্য প্রচলিত লেজারের সরবরাহক্ষমতার চেয়ে অনেক বেশি শক্তি দরকার। থোরিয়াম ২২৯-ই একমাত্র পরিচিত নিউক্লিয়াস, যার রূপান্তর বর্তমান লেজার প্রযুক্তি দিয়ে সরাসরি শনাক্ত করা যায়। এর অস্বাভাবিকভাবে নিচু উত্তেজিত অবস্থা, যাকে আইসোমার বলা হয়, ভূমি অবস্থার প্রায় ৮.৪ ইলেকট্রন ভোল্ট ওপরে। এই শক্তি প্রায় ১৪৮ ন্যানোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অতিবেগুনি আলোর সমতুল্য।

এই আলো ভ্যাকুয়াম অতিবেগুনি পরিসরে পড়ে, যা তৈরি ও ব্যবহার করা কঠিন। ওই তরঙ্গদৈর্ঘ্যে যথেষ্ট স্থিতিশীল এবং সংকীর্ণ কম্পাঙ্ক-পরিসরের লেজার তৈরি করাই ছিল দুই দলের সামনে থাকা প্রধান প্রকৌশলগত চ্যালেঞ্জগুলোর একটি।

নিউক্লীয় ঘড়ি বলার অর্থ এই নয় যে ঘড়িটি চুল্লি, বিভাজন বা সংযোজন প্রক্রিয়ায় চলে। থোরিয়াম ২২৯ তেজস্ক্রিয় হলেও তার ক্ষয় ঘড়ির টিকটিকের প্রক্রিয়া নয়। ঘড়িটি নিউক্লিয়াসের ভেতরের একটি রূপান্তর পরীক্ষা করতে লেজারের আলো ব্যবহার করে।

নিউক্লিয়াস পরমাণুর চেয়ে দশ হাজার গুণেরও বেশি ছোট এবং চারপাশের ইলেকট্রন কিছুটা সুরক্ষা দেয়। বাইরের বৈদ্যুতিক ও চৌম্বকীয় বিঘ্নে সাধারণত এগুলো কম সাড়া দেয়, ফলে আরও স্থিতিশীল কম্পাঙ্কের মানদণ্ড তৈরির পথ খুলতে পারে। তবে বর্তমান পরীক্ষাগুলো এটাও দেখায়, নিউক্লিয়াসকে ক্রিস্টালে বসালেই পরিবেশের সব প্রভাব দূর হয় না।

ক্রিস্টাল যেভাবে লেজারকে সংশোধন করে

দুই দলই থোরিয়াম ২২৯-কে ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইড ক্রিস্টালে বসিয়ে প্রায় ১৪৮.৪ ন্যানোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অবিচ্ছিন্ন লেজার আলো ফেলেছে। আলো নির্বাচিত নিউক্লীয় রূপান্তরের সঙ্গে মিলে গেলে নিউক্লিয়াস তা শোষণ করে। একটি ডিটেক্টর পার হয়ে যাওয়া আলো মাপে, ফলে লেজার অনুরণন থেকে সরে গেছে কি না গবেষকেরা বুঝতে পারেন।

এরপর একটি ইলেকট্রনিক প্রতিপুষ্টি-ব্যবস্থা লেজারের কম্পাঙ্ক বদলে সেটিকে আবার সঠিক অবস্থায় আনে। নিউক্লিয়াস তখন আর শুধু পরিমাপের বস্তু থাকে না; তার সাড়াই ঘড়ির সংকেত দেওয়া দোলককে পরিচালনা করে।

লুকা তোসকানি দে কলের নেতৃত্বে ইউরোপীয় দলের ভিয়েনার ঘড়ি-বিষয়ক গবেষণাপত্রে কেবল কয়েক মিলিমিটার চওড়া একটি ক্রিস্টালে শোষণ বর্ণালিবীক্ষণের ভিত্তিতে দ্রুত প্রতিপুষ্টির বর্ণনা দেওয়া হয়েছে। যন্ত্রটি ঘরের তাপমাত্রায় চলে। স্বল্প সময়ের ব্যবধানে স্থিতিশীলতার জন্য আলাদা একটি অপটিক্যাল ক্যাভিটি ব্যবহৃত হয়, আর দীর্ঘমেয়াদি বিচ্যুতি সংশোধন করে নিউক্লীয় রূপান্তর।

শোষণ এখানে গুরুত্বপূর্ণ, কারণ উত্তেজিত নিউক্লিয়াসের আলো নির্গত হওয়ার জন্য অপেক্ষা করতে গেলে অনেক সময় লাগতে পারে। ভিয়েনার গবেষণাপত্রে বলা হয়েছে, ফ্লুরোসেন্স শনাক্তকরণের তুলনায় শোষণে প্রতি সেকেন্ডে প্রায় এক হাজার গুণ বেশি সংকেত-ফোটন পাওয়া যায়। এতে উত্তেজিত অবস্থার আয়ুর চেয়েও কম সময়ে সংশোধন করা সম্ভব হয় এবং রূপান্তরের পরিবর্তন আরও দ্রুত খোঁজা যায়।

দুই গবেষণাগার, ভিন্ন প্রকৌশলগত পছন্দ

ইউরোপীয় সহযোগী দলে জার্মানি, অস্ট্রিয়া ও চেকিয়ার গবেষকেরা রয়েছেন। বেইজিংয়ের উদ্যোগে আছে সিংহুয়া বিশ্ববিদ্যালয়, বেইজিং অ্যাকাডেমি অব কোয়ান্টাম ইনফরমেশন সায়েন্সেস এবং চীনের বিভিন্ন প্রতিষ্ঠানের সহযোগীরা। চীনা গবেষণাটির লেখক তালিকার নেতৃত্বে রয়েছেন বেইচেন হুয়াং।

ভিয়েনায় থোরিয়ামের ঘনত্ব বেশি এমন একটি ক্রিস্টাল ব্যবহার করা হয়েছে। বেইজিংয়ে আইসোটোপের সীমিত সরবরাহের ঘাটতি পুষিয়ে নেওয়া হয়েছে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি লেজার শক্তি দিয়ে। দুই পদ্ধতিই একই সমস্যার সমাধান করে: লেজার নিউক্লীয় অনুরণন থেকে কতটা সরে গেছে তা নির্ধারণের জন্য যথেষ্ট কার্যকর শোষণ-সংকেত পাওয়া।

চীনা দলের সিংহুয়া ঘড়ি-বিষয়ক গবেষণাপত্রে ক্যাডমিয়াম বাষ্পে লেজার ক্ষেত্রগুলোর সমন্বিত প্রক্রিয়ায় ১০ মাইক্রোওয়াট অতিবেগুনি আলো তৈরি করা একটি উৎসের বর্ণনা রয়েছে। প্রায় ৫ মাইক্রোওয়াট ক্রিস্টালের সামনের পৃষ্ঠে পৌঁছেছে। ইউরোপীয় যন্ত্রে স্ট্রনটিয়াম টেট্রাবোরেট ক্রিস্টাল ব্যবহার করে ভিন্ন একটি অরৈখিক রূপান্তর-পদ্ধতি নেওয়া হয়েছে।

বেইজিংয়ের উন্নত ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইড ক্রিস্টালটি ১.৪ মাইক্রোগ্রাম থোরিয়াম ২২৯ এবং ১০ কিলোবেকেরেলের তেজস্ক্রিয়তা-সম্পন্ন একটি দ্রবণ থেকে তৈরি করা হয়েছে। এই তেজস্ক্রিয়তার মান ক্ষয়ের হার নির্দেশ করে, ঘড়ির টিকটিক নয়। গবেষণাপত্রে বলা হয়েছে, আইসোটোপের ঘাটতির কারণে ক্রিস্টাল তৈরির পদ্ধতি উন্নত করতে বারবার চেষ্টা করার সুযোগ প্রায় নেই।

সিংহুয়া বিশ্ববিদ্যালয়ের পদার্থবিদ শিকিয়ান ডিং বলেন, ভিন্ন কারিগরি নকশায় স্বাধীনভাবে করা এই প্রদর্শনগুলো ঘড়ির ধারণাটি কার্যকর—এ বিষয়ে আস্থা বাড়ায়:

আমরা স্বাধীনভাবে কাজ করে একই সময়ে কার্যকর থোরিয়াম-২২৯ নিউক্লীয় ঘড়ি চালু করেছি, তাও ভিন্ন পরীক্ষামূলক পদ্ধতি ব্যবহার করে। আমার মনে হয় এটি খুবই আশাব্যঞ্জক, কারণ এতে বোঝা যায় ধারণাটি নির্ভরযোগ্য এবং কোনো একটি নির্দিষ্ট কারিগরি বাস্তবায়নের ওপর নির্ভরশীল নয়।

দুই দলই তাদের ব্যবস্থা উন্নত করার এবং উভয় পদ্ধতির অভিজ্ঞতা কাজে লাগানোর পরিকল্পনা করছে। একসঙ্গে বেশি নিউক্লিয়াস ও ব্যবহারযোগ্য অতিবেগুনি আলো থাকলে, শুধু একটি সুবিধা কাজে লাগানোর তুলনায় আরও শক্তিশালী সংকেত পাওয়া যেতে পারে।

প্রোটোটাইপগুলো কতটা নির্ভুল?

ভিয়েনার গবেষণাপত্রে প্রতি সেকেন্ডে গড় করার সময়ের বর্গমূল দিয়ে ভাগ করলে কম্পাঙ্কের ভগ্নাংশগত অস্থিরতা ৩ × ১০^-১২ বলে জানানো হয়েছে। একই ধরনের স্কেলিংয়ে চীনা গবেষণাপত্রে ৫ × ১০^-১৩ উল্লেখ করা হয়েছে। এই দুই সহগ ভাগ করলে ছয় পাওয়া যায়, যা ঘড়ি দুটির তুলনার ভিত্তি।

কম্পাঙ্কের অস্থিরতা পরিমাপের সময় ঘড়ির গতির ওঠানামার মাত্রা বোঝায়। গড় করলে দৈব ওঠানামা কমতে পারে। নির্ভুলতা আলাদা বিষয়: পক্ষপাত বিবেচনায় নেওয়ার পর মাপা কম্পাঙ্ক সঠিক মানের কতটা কাছাকাছি, সেটিই নির্ভুলতা। পুনরাবৃত্তিযোগ্যতা বোঝায়, আরেকটি পরীক্ষা বা অন্য ক্রিস্টালে একই ফল পাওয়া যায় কি না।

স্পেনের মেট্রোলজি সেন্টারের মেকানিক্যাল ম্যাগনিটিউডস অ্যান্ড ইঞ্জিনিয়ারিং বিভাগের পরিচালক দোলোরেস দেল কাম্পো মালদোনাদো চীনা ঘড়ির স্বল্প সময়ের ব্যবধানে ভালো স্থিতিশীলতা এবং ইটারবিয়াম ঘড়ির সঙ্গে অস্ট্রিয়ার পরীক্ষার তুলনাকে আলাদা শক্তি হিসেবে উল্লেখ করেছেন। তবে কোনো ফলই সব মাপকাঠিতে সেরা পারমাণবিক ঘড়িগুলোর ওপর শ্রেষ্ঠত্ব প্রমাণ করে না।

সময়ের মোট ত্রুটিতে রূপান্তর করলে বিভিন্ন প্রতিবেদনে ভিন্ন হিসাব পাওয়া যায়। টিইউ ভিয়েনের হিসাব অনুযায়ী, ১০^-১৫-এর কাছাকাছি নির্ভুলতার ভিত্তিতে ভিয়েনার প্রোটোটাইপে ৩ কোটি বছরে প্রায় এক সেকেন্ডের ত্রুটি হতে পারে। অন্য একটি প্রতিবেদনে ইউরোপীয় ঘড়ির ক্ষেত্রে ৩০ লাখ বছরে এবং চীনা যন্ত্রের ক্ষেত্রে ১ কোটি ৯০ লাখ বছরে প্রায় এক সেকেন্ডের কথা বলা হয়েছে। চীনা ফলাফলের আগের একটি বর্ণনায় এক দিন পর অস্থিরতাকে ১০ ট্রিলিয়নে এক ভাগের কাছাকাছি বলা হয়েছিল; চূড়ান্ত গবেষণাপত্রে মাপা সময়সীমায় গড় করার পর ১০^-১৫ পর্যায়ে পৌঁছানোর কথা জানানো হয়েছে।

এই পরিসংখ্যানগুলোকে পরম নির্ভুলতার সমতুল্য নিশ্চয়তা হিসেবে দেখা উচিত নয়। তুলনার সবচেয়ে নির্ভরযোগ্য ভিত্তি হলো প্রকাশিত অস্থিরতার পরিমাপ এবং গড় করার শর্ত। বর্তমান অপটিক্যাল পারমাণবিক ঘড়িগুলো এখনো এগিয়ে আছে; সেগুলোর প্রকাশিত কর্মক্ষমতা কয়েক হাজার কোটি বছরে এক সেকেন্ডের সমতুল্য, যার মধ্যে ইটারবিয়ামের একটি উদাহরণে ২ হাজার ৩০০ কোটি বছরের কথা রয়েছে।

ক্রিস্টালের প্রভাব এখনো রয়েছে

ভিয়েনার গবেষণায় দেখা গেছে, বিভিন্ন দিনে মাপা কম্পাঙ্কের পুনরাবৃত্তিযোগ্যতা প্রায় ৫ × ১০^-১৩-এ সীমিত ছিল, যা একটানা পরীক্ষায় পাওয়া অস্থিরতার চেয়ে খারাপ। প্রতিটি পরীক্ষার আগে লেজার আবার সারিবদ্ধ করতে হতো, ফলে ক্রিস্টালের সামান্য ভিন্ন অংশ দিয়ে আলো যেত।

বিভিন্ন অবস্থানে করা পরিমাপে রূপান্তরের কেন্দ্রীয় কম্পাঙ্কে ১.৭ কিলোহার্টজ পর্যন্ত পরিবর্তন দেখা গেছে। গবেষকদের ধারণা, ক্রিস্টালের অসম গঠনের কারণে স্থানীয় পীড়ন থেকে এটি ঘটে। একই অবস্থানে পরিমাপ পুনরাবৃত্তি করলে ফল একই এসেছে, যা উপাদানের ভেতর দিয়ে লেজারের পথ নিয়ন্ত্রণের প্রয়োজনীয়তাকে সমর্থন করে।

বেইজিংয়ের দল স্বাধীনভাবে তৈরি দুটি ক্রিস্টাল পরীক্ষা করেছে। তাদের মাপা রূপান্তর কম্পাঙ্কের পার্থক্য প্রায় ৫৬০ হার্টজ, যা ২.৮ × ১০^-১৩ ভগ্নাংশগত পার্থক্যের সমতুল্য; অনিশ্চয়তা ০.৬ × ১০^-১৩। সম্মিলিত অনিশ্চয়তা বিবেচনায় নিলে, যুক্তরাষ্ট্রের জিলা-তে অন্য ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইড ক্রিস্টালে করা আগের পরিমাপের সঙ্গেও দুটির ফল সামঞ্জস্যপূর্ণ।

চীনা যন্ত্রে তাপমাত্রার ওঠানামা নিয়ন্ত্রণ করা হয়েছে এবং চৌম্বকীয় ঢাল ব্যবহার করা হয়েছে। উন্নত ক্রিস্টালটি অতিবেগুনি আলোর ৭ শতাংশ পার হতে দিয়েছে; আগের ক্রিস্টালটির ক্ষেত্রে তা ছিল প্রায় ১ শতাংশ। ডিটেক্টরের পরিবর্তন ও শক্তিশালী শোষণ-সংকেতের সঙ্গে মিলিয়ে এসব উন্নতি পরিমাপের নয়েজ অনেক কমিয়েছে।

জাপানের ন্যাশনাল মেট্রোলজি ইনস্টিটিউটের আকিও কাওয়াসাকি বাহ্যিক বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রকে ঘড়ির অনিশ্চয়তার প্রধান উৎস হিসেবে উল্লেখ করেছেন। নিউক্লীয় রূপান্তর এমন বিঘ্ন থেকে সুরক্ষা দিতে পারে, কিন্তু প্রোটোটাইপের ফল দেখায়, উপাদানের মান, তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ এবং কম্পাঙ্কের পরিবর্তন সতর্কভাবে যাচাই করা এখনো জরুরি।

ডার্ক ম্যাটারের সন্ধান, তবে শনাক্ত হয়নি

ভিয়েনার দল অস্ট্রিয়ার ফেডারেল অফিস অব মেট্রোলজি অ্যান্ড সার্ভেয়িংয়ের একটি ইটারবিয়াম আয়ন ঘড়ির সঙ্গে তাদের নিউক্লীয় ঘড়ির তুলনা করেছে। এ কাজে স্থিতিশীল অপটিক্যাল ফাইবার সংযোগ ব্যবহার করা হয়। প্রায় ২৩ ঘণ্টা ধরে দুই ঘড়ির কম্পাঙ্কের অনুপাতে পর্যায়ক্রমিক পরিবর্তন ও ধীর বিচ্যুতি খোঁজা হয়, যার মাধ্যমে ২০ সেকেন্ড থেকে প্রায় এক দিন পর্যন্ত সময়সীমা পরীক্ষা করা হয়েছে।

কিছু তত্ত্বে বলা হয়, অতি-হালকা ডার্ক ম্যাটার মৌলিক ধ্রুবকে সামান্য দোলন ঘটাতে পারে। নিউক্লীয় ও ইলেকট্রনিক রূপান্তর ভিন্নভাবে সাড়া দেবে, ফলে দুই ঘড়ির তুলনা একটি কার্যকর পরীক্ষা হতে পারে। পরিসংখ্যানগতভাবে উল্লেখযোগ্য কোনো পর্যায়ক্রমিক সংকেত পাওয়া যায়নি এবং মাপা ধীর বিচ্যুতিও শূন্যের সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ ছিল।

কোনো সংকেত না মেলায় দলটি ফোটন, সবল নিউক্লীয় বল এবং কোয়ার্কের ভরের সঙ্গে সম্ভাব্য মিথস্ক্রিয়ার ওপর সীমা নির্ধারণ করতে পেরেছে। ফোটন-সংক্রান্ত সীমাগুলো তুলনীয় পারমাণবিক ঘড়ির সেরা ফলের সঙ্গে পাল্লা দেয়। নির্দিষ্ট কিছু সবল বল ও কোয়ার্ক-সংক্রান্ত মিথস্ক্রিয়ার ক্ষেত্রে, আগের পারমাণবিক ঘড়ির পরীক্ষার তুলনায় পরীক্ষাধীন প্যারামিটারের পরিসরে ১০ থেকে ১,০০০ গুণ বেশি দূর পর্যন্ত সংবেদনশীলতার কথা গবেষণাপত্রে জানানো হয়েছে।

থোরিয়ামের সুবিধার মূলে রয়েছে এর অস্বাভাবিক শক্তির ভারসাম্য। তড়িৎচুম্বকীয় ও নিউক্লীয় অবদান অনেক বড় হলেও প্রায় একে অন্যকে বাতিল করে দেয়, ফলে ৮.৪ ইলেকট্রন ভোল্টের ছোট রূপান্তরটি অবশিষ্ট থাকে। তাই ওই অবদানগুলোতে সামান্য পরিবর্তনও ঘড়ির কম্পাঙ্কে তুলনামূলক বড় পরিবর্তন ঘটাতে পারে।

হাইডেলবার্গের ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক ইনস্টিটিউট ফর নিউক্লিয়ার ফিজিকসের গবেষক হোসে আর. ক্রেসপো লোপেস-উরুতিয়া ধারণা করেন, ডার্ক ম্যাটারের কিছু কাল্পনিক প্রভাবে সংবেদনশীলতা সেরা অপটিক্যাল পারমাণবিক ঘড়ির চেয়ে প্রায় ১০ হাজার গুণ বেশি হতে পারে। এটি নির্দিষ্ট কিছু প্রভাবের সম্ভাব্য সাড়ার হিসাব; সময় মাপার সব ক্ষেত্রে সার্বিক উন্নতি বা ডার্ক ম্যাটার শনাক্ত হওয়ার প্রমাণ নয়। তিনি কয়েকজন লেখক দলের সঙ্গে আগের সহযোগিতার কথা জানিয়েছেন, তবে এই গবেষণাগুলোতে সরাসরি যুক্ত ছিলেন না।

ভিয়েনার গবেষণাপত্রে আরও সতর্ক করা হয়েছে, কিছু নিউক্লীয় প্যারামিটার এখনো অজানা থাকায় সংবেদনশীলতার সুনির্দিষ্ট গুণক এখনই হিসাব করা সম্ভব নয়। গবেষণার ফল নির্দিষ্ট মডেল ও মিথস্ক্রিয়াকে সীমিত করে, ডার্ক ম্যাটারের সব সম্ভাব্য রূপকে নয়।

কার্যকর ঘড়ির পেছনের মাইলফলক

উত্তেজিত অবস্থার অস্তিত্ব প্রমাণ, তার শক্তি নির্ধারণ এবং উপযুক্ত লেজার তৈরির জন্য বছরের পর বছর কাজের পর সর্বশেষ ফলাফল এসেছে। শুম বলেন, তার দল ২০০৮ সাল থেকে নিউক্লীয় ঘড়ি তৈরির লক্ষ্যে কাজ করছে। পেইক ও ক্রিশ্চিয়ান টাম ২০০৩ সালে থোরিয়াম ঘড়ির ধারণা প্রস্তাব করেছিলেন।

• ২০১৬: ভিয়েনার গবেষণাপত্রের ঐতিহাসিক বিবরণ অনুযায়ী, গবেষকেরা ক্ষয়-প্রক্রিয়ার মাধ্যমে থোরিয়াম আইসোমারের অস্তিত্ব প্রমাণ করেন।
• ১২ সেপ্টেম্বর ২০১৯: কার্যকর ঘড়ি তৈরির আগেই টিইউ ভিয়েন দুটি পরীক্ষার কথা জানায়, যেগুলোতে রূপান্তর সম্পর্কে ধারণা আরও নির্ভুল করা হয়েছিল।
• এপ্রিল ২০২৪: টিইউ ভিয়েন ও পিটিবির সহযোগী দল লেজারের আলো দিয়ে সরাসরি থোরিয়াম নিউক্লীয় রূপান্তর ঘটায়।
• শরৎ ২০২৪: গবেষকেরা থোরিয়ামকে উত্তেজিত করার একটি যন্ত্রকে প্রচলিত অপটিক্যাল পারমাণবিক ঘড়ির সঙ্গে যুক্ত করেন।
• ২০২৫: অবিচ্ছিন্ন অতিবেগুনি লেজার উৎস ও শোষণ-পরিমাপের মাধ্যমে রূপান্তরটি দীর্ঘ সময় ধরে পরীক্ষা করা সম্ভব হয়।
• ৭ অক্টোবর ২০২৬: Nature-এ প্রকাশিত দুটি গবেষণায় প্রতিপুষ্টিসহ কার্যকর নিউক্লীয় ঘড়ির কথা জানানো হয়।

টিইউ ভিয়েনের ২০১৯ সালের মাইলফলক-বিষয়ক ঘোষণায় ইউরেনিয়াম ২৩৩-এর ক্ষয়ে তৈরি থোরিয়াম আয়ন ব্যবহার করে পরোক্ষ পরিমাপের বিস্তারিত রয়েছে। প্রায় ২ শতাংশ আয়ন উত্তেজিত অবস্থায় ছিল। আয়নগুলোকে গ্রাফিনের মধ্য দিয়ে নেওয়ার সময় নিরপেক্ষ করা হয়; পরে নির্গত ইলেকট্রনের শক্তি নিউক্লীয় অবস্থার শক্তি নির্ধারণে সহায়তা করে।

জাপানের আরেকটি পরীক্ষায় তীব্র সিনক্রোট্রন এক্স-রে দিয়ে অনেক উচ্চতর একটি নিউক্লীয় অবস্থাকে উত্তেজিত করা হয়। পরে সেটি মূলত কাঙ্ক্ষিত আইসোমারে ক্ষয় হয়। এগুলো রূপান্তর খুঁজে বের করা ও মাপার ধাপ ছিল, কার্যকর ঘড়ি প্রদর্শন নয়।

কোয়ান্টএ-র একটি একাডেমিক পর্যালোচনায় বলা হয়েছে, শুমের দল রূপান্তরের শক্তি ১২ দশমিক স্থান পর্যন্ত নির্ধারণ করেছে এবং উচ্চ-হারমোনিক জেনারেশন পদ্ধতিতে অতিবেগুনি উত্তেজন তৈরি করেছে। সেখানে প্রোটোটাইপ নির্মাণকে কোয়ান্টএ ক্লাস্টার অব এক্সেলেন্স এবং একটি ইআরসি সিনার্জি প্রকল্পের প্রকৌশলগত পর্যায় হিসেবে বর্ণনা করা হয়েছে। নতুন প্রতিপুষ্টি-ভিত্তিক প্রদর্শনগুলো ওই আগের পর্যায়কে ছাড়িয়ে গেছে।

ব্যবহারিক প্রয়োগের আগে কী উন্নতি দরকার?

এখন অগ্রাধিকার হলো আরও শক্তিশালী ও স্থিতিশীল লেজার, উন্নত ডিটেক্টর এবং আরও বিশুদ্ধ ও সমসত্ত্ব ক্রিস্টাল। পরীক্ষার মধ্যবর্তী ফলের পুনরাবৃত্তিযোগ্যতা বাড়াতে হবে ভিয়েনাকে। বেইজিং উন্নত হোস্ট উপাদান এবং সম্ভাব্য থোরিয়াম আয়ন ঘড়ি নিয়ে কাজ করছে। এতে নিউক্লিয়াসকে আরও ভালোভাবে বিচ্ছিন্ন রাখা যাবে, তবে প্রযুক্তিগতভাবে এটি তৈরি করা কঠিন হবে।

অনুরণনের প্রস্থ নিয়েও বিভিন্ন প্রতিবেদনে ভিন্ন মান রয়েছে। পেইক ৩০ কিলোহার্টজ পরিমাপের কথা বলেছেন, আর ভিয়েনার গবেষণাপত্রে ঘড়ির কর্মক্ষমতা বিশ্লেষণে প্রায় ১০০ কিলোহার্টজ ব্যবহার করা হয়েছে। উন্নত ক্রিস্টালে নির্বাচিত রূপান্তরের প্রস্থ ২৭ কিলোহার্টজ বলে জানিয়েছে চীনা গবেষণাপত্র। এই পরিমাপগুলোকে একটিমাত্র মানে নামিয়ে আনা উচিত নয়। সবগুলোই প্রত্যাশিত প্রাকৃতিক নিউক্লীয় অনুরণনের তুলনায় অনেক বেশি প্রশস্ত, যা উন্নতির সুযোগ থাকার ইঙ্গিত দেয়।

সম্ভাব্য ব্যবহারগুলোর মধ্যে রয়েছে উপগ্রহভিত্তিক ন্যাভিগেশন, টেলিযোগাযোগ, সমলয় তথ্য স্থানান্তর এবং জরিপ। টিইউ ভিয়েনের ২০২৪ সালের প্রয়োগ-বিষয়ক বিবৃতিতে ঘড়ির গতিতে মাধ্যাকর্ষণের প্রভাব কাজে লাগিয়ে পৃথিবীর মহাকর্ষীয় ক্ষেত্র মাপার কথাও বলা হয়েছে; খনিজ অনুসন্ধান ও প্লেট টেকটনিকস নিয়ে গবেষণায় এর সম্ভাব্য ব্যবহার রয়েছে। ভূমিকম্পের পূর্বাভাসের উল্লেখটি সম্ভাব্য প্রয়োগের কথা, প্রমাণিত সক্ষমতা নয়।

স্পেনের মেট্রোলজি সেন্টারের পদার্থবিদ ড্যানিয়েল দে মারকাদো ব্যাখ্যা করেন, রূপান্তরের নির্ভুল পরিমাপ দিয়ে পর্যবেক্ষিত মান তাত্ত্বিক পূর্বাভাসের সঙ্গে মেলে কি না পরীক্ষা করা যায়। পার্থক্য থাকলে অজানা মিথস্ক্রিয়ার ইঙ্গিত পাওয়া যেতে পারে। বর্তমান প্রোটোটাইপগুলোর ক্ষেত্রে দৈনন্দিন অবকাঠামোর ঘড়ি বদলে দেওয়ার চেয়ে এই গবেষণামূলক ভূমিকার গুরুত্ব বেশি।

দেল কাম্পোর মতে, ১০^-১৯-এর চেয়েও ভালো নির্ভুলতা ভবিষ্যতে সুবিধা এনে দিতে পারে। তবে ২০৩০ সালে সেকেন্ডের সম্ভাব্য নতুন সংজ্ঞাকে প্রভাবিত করার মতো প্রস্তুতি নিউক্লীয় ঘড়ির থাকবে কি না, তা নিয়ে তিনি সন্দিহান। এই প্রদর্শনগুলোর সঙ্গে কোনো নিশ্চিত ব্যবহারের সময়সীমা বা বিদ্যমান সময়মান বদলের নির্ধারিত পরিকল্পনা নেই। পরবর্তী কাজ হলো, উন্নত যন্ত্রে কম অস্থিরতা, পুনরুৎপাদনযোগ্য কম্পাঙ্ক এবং সুস্পষ্টভাবে বোঝা নির্ভুলতা একসঙ্গে অর্জন করা যায় কি না প্রমাণ করা।

মূল তথ্য

• স্বতন্ত্র ইউরোপীয় ও চীনা দল ২০২৬ সালের ৭ অক্টোবর Nature-এ কার্যকর থোরিয়াম নিউক্লীয় ঘড়ির কথা জানিয়েছে।
• দুটি ঘড়িই থোরিয়ামযুক্ত ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইড ক্রিস্টালে অতিবেগুনি আলোর শোষণ ব্যবহার করে লেজারের কম্পাঙ্ক সংশোধন করে।
• ভিয়েনার প্রোটোটাইপ কোনো হস্তক্ষেপ ছাড়াই ২৪ ঘণ্টার বেশি চলেছে।
• প্রকাশিত অস্থিরতার সহগ অনুযায়ী, চীনা ঘড়িটির মান ইউরোপীয় ঘড়িটির চেয়ে ছয় গুণ ছোট।
• কোনো প্রোটোটাইপই এখনো সেরা অপটিক্যাল পারমাণবিক ঘড়িগুলোকে ছাড়িয়ে যায়নি।
• ভিয়েনার ডার্ক ম্যাটার অনুসন্ধানে কোনো সংকেত মেলেনি, তবে নির্বাচিত তাত্ত্বিক মিথস্ক্রিয়ার ওপর সীমা নির্ধারণ করা হয়েছে।
• ব্যবহারিক প্রয়োগের আগে ক্রিস্টালের সমসত্ত্বতা, লেজারের ক্ষমতা এবং ফলের পুনরাবৃত্তিযোগ্যতা বড় চ্যালেঞ্জ হয়ে রয়েছে।