Två forskarlag har oberoende av varandra byggt fungerande kärnklockor med torium-229. Genombrottet innebär att själva atomkärnan för första gången används som aktiv referens för att hålla en laser på rätt frekvens. Tekniken kan på sikt få betydelse för allt från GPS och datakommunikation till jakten på mörk materia – men de nya kärnklockorna är ännu inte bättre än världens främsta atomur.
Vad är en kärnklocka?
Alla riktigt exakta klockor behöver något som svänger med en mycket stabil frekvens.
I en mekanisk klocka kan det vara en pendel eller en balansfjäder. I moderna atomur används i stället kvantmekaniska övergångar i atomer. En elektromagnetisk signal justeras tills dess frekvens matchar en bestämd övergång mellan två energinivåer.
Det som gör en kärnklocka annorlunda är var denna övergång sker.
I ett vanligt atomur används normalt elektronerna som finns runt atomkärnan. I en kärnklocka används i stället en energiövergång inne i själva kärnan, alltså bland protoner och neutroner.
Det kan låta som en liten teknisk skillnad, men för fysiker är den fundamental. Atomkärnan är betydligt bättre skyddad från omgivningen än de yttre elektronerna. Därför finns förhoppningen att en kärnbaserad frekvensreferens i framtiden kan bli både extremt stabil och mindre känslig för vissa störningar.
Det handlar däremot inte om radioaktivt sönderfall eller om att klockan drivs av kärnenergi. Ordet kärnklocka syftar på att själva referensen för tiden finns i atomkärnan.
Därför är torium-229 så speciellt
Problemet är att kärnövergångar normalt kräver mycket hög energi.
För nästan alla atomkärnor ligger energinivåerna så långt ifrån varandra att de inte går att nå med vanliga lasrar. Då krävs betydligt mer energirik elektromagnetisk strålning.
Torium-229 är det stora undantaget.
Isotopen har ett ovanligt lågt exciterat kärntillstånd på ungefär 8,4 elektronvolt. Det innebär att övergången kan träffas med extremt kortvågigt laserljus i det vakuumultravioletta området.
De nya kärnklockorna arbetar med laserljus kring 148,4 nanometers våglängd. Frekvensen ligger runt två petahertz – drygt två biljarder svängningar per sekund.
När laserns frekvens ligger exakt rätt kan den växelverka med toriumkärnorna. Om lasern börjar driva bort från rätt frekvens upptäcks avvikelsen och systemet korrigerar den.
Det är den återkopplingen som gör konstruktionen till en fungerande klocka.
Vad forskarna faktiskt lyckades med 2026
Forskare hade redan tidigare lyckats träffa och mäta övergången i torium-229.
Det stora steget 2026 är att två oberoende forskarlag har använt toriumkärnan som en aktiv referens i ett system som kontinuerligt håller en laser stabil.
Det ena laget, med forskare i bland annat Kina, placerade torium-229 i kristaller av kalciumfluorid. När laserljuset riktades mot kristallen kunde forskarna mäta hur kärnorna reagerade och hela tiden justera laserns frekvens.
Ett separat forskarlag med centrum i Wien byggde ett annat system enligt samma grundprincip. Där kunde kärnklockan arbeta kontinuerligt i mer än ett dygn och jämföras direkt med ett optiskt atomur.
Principen kan förenklas till fyra steg:
- En laser riktas mot torium-229.
- Atomkärnorna reagerar starkast när laserfrekvensen ligger exakt på kärnövergången.
- Systemet mäter om lasern har börjat avvika.
- Laserns frekvens korrigeras tillbaka.
Processen upprepas kontinuerligt.
Det är ungefär samma grundidé som används i ett atomur, men här är det alltså atomkärnan som fungerar som den yttersta frekvensreferensen.
Varför talades det om kärnklockor redan 2024?
Redan 2024 beskrev flera forskare stora framsteg mot en kärnklocka.
Då lyckades forskare bland annat excitera torium-229 med laser och mäta kärnövergångens frekvens med mycket hög precision. Resultaten visade att torium verkligen kunde användas på det sätt som fysiker länge hade hoppats.
Men det saknades fortfarande en viktig del.
Toriumkärnan fungerade ännu inte som en kontinuerlig referens som automatiskt styrde och korrigerade själva klockans oscillator.
2026 har den återkopplingsloopen demonstrerats.
Det är därför de nya systemen kan beskrivas som de första operativa eller fungerande kärnklockorna, även om de bygger direkt på flera tidigare genombrott.
Kärnklocka och atomur – vad är skillnaden?
Den enklaste skillnaden är vad som får bestämma takten.
I ett optiskt atomur används vanligtvis en övergång hos elektronerna kring atomkärnan. I kärnklockan används en övergång i själva kärnan.
Det finns flera potentiella fördelar med det.
Elektronerna befinner sig relativt långt från kärnan och kan påverkas av elektriska och magnetiska fält, värmestrålning och andra delar av omgivningen.
Atomkärnan är betydligt mindre och skyddas av elektronmolnet runt omkring.
Det betyder inte att kärnklockan automatiskt är okänslig för sin miljö. I de nuvarande prototyperna sitter toriumatomerna exempelvis inuti kristaller, och kristallstrukturen kan i sig påverka resonansen.
Men kärnans isolering är en av de viktigaste anledningarna till att fysiker tror att tekniken kan få mycket hög stabilitet på längre sikt.
Den som vill förstå hur långt dagens bästa atomur redan har kommit kan läsa vår guide om världens mest exakta klocka.
Är kärnklockan bättre än ett atomur?
Inte ännu.
Det är en avgörande del av genombrottet som lätt försvinner när tekniken beskrivs som revolutionerande.
De första fungerande kärnklockorna är fortfarande prototyper. De bästa optiska atomuren når i dag betydligt bättre precision och kontrollerade osäkerheter än kärnklockorna från 2026.
Forskarna har alltså inte byggt världens mest exakta klocka.
Det de har visat är att den nya principen fungerar.
Det är ungefär som att få den första motorn av en helt ny typ att gå stabilt: den behöver inte omedelbart slå alla befintliga motorer för att resultatet ska vara viktigt.
Kärnklockans potential ligger bland annat i att tekniken kan utvecklas vidare mot mindre, robustare och mindre störningskänsliga system.
En särskild fördel med den nuvarande metoden är att mycket stora mängder toriumkärnor kan placeras i en liten kristall. Det gör det möjligt att mäta många kärnor samtidigt utan att bygga de mycket avancerade jonfällor som används i vissa optiska atomur.
Samtidigt är just kristallmiljön en av de faktorer som i dag begränsar precisionen.
Därför kan kärnklockor påverka GPS
GPS är i grunden ett system för extremt exakt tidmätning.
Satelliterna skickar ut signaler med exakta tidsstämplar. En GPS-mottagare räknar ut hur lång tid signalerna har tagit från flera satelliter och kan därifrån bestämma sin position.
Ljuset färdas ungefär 30 centimeter på en nanosekund.
Det betyder inte att varje nanosekunds klockfel automatiskt ger exakt 30 centimeters fel i en vanlig GPS-position, eftersom navigationssystem påverkas av många andra felkällor. Men sambandet visar varför extremt noggrann tid är så central.
Bättre klockor kan på sikt ge satelliter stabilare tidsreferenser och minska behovet av korrigeringar från marken.
Ännu viktigare kan vara robustheten.
Om kärnklockor kan göras små och stabila kan de användas som mycket precisa lokala tidsreferenser även när kontakten med satellitsystem störs.
Det skulle kunna få betydelse för navigation på jorden, i luften och längre ut i rymden.
GPS är dessutom långt mer än ett system som visar en blå prick på mobilens karta. Satellittiden används av stora delar av samhällets tekniska infrastruktur. I vår guide om vad som händer om GPS slutar fungera går vi igenom hur beroendet sträcker sig långt utanför vanlig navigation.
Vad har kärnklockor med internet att göra?
Internet behöver inte bara snabba förbindelser.
Det behöver också tid.
Servrar, datacenter, mobilnät, finanssystem och annan digital infrastruktur måste veta när olika händelser inträffade och kunna hålla sina interna klockor synkroniserade.
Exakta tidsstämplar behövs bland annat för att ordna händelser korrekt, mäta fördröjningar och få distribuerade system att arbeta mot samma tidsreferens.
Telekomnät är särskilt beroende av noggrann synkronisering.
Mycket av denna tid distribueras i dag direkt eller indirekt från satellitbaserade navigeringssystem som GPS.
En kärnklocka skulle därför inte göra internet snabbare i betydelsen högre nedladdningshastighet.
Den möjliga vinsten ligger i stället i själva infrastrukturen bakom nätet.
Mer kompakta och extremt stabila klockor skulle på sikt kunna ge datacenter, kommunikationsnät och andra system bättre lokala tidsreferenser och göra dem mindre beroende av kontinuerlig tillgång till externa satellitsignaler.
Det kan bli särskilt värdefullt vid störningar, tekniska fel eller försök att manipulera satellitbaserade tidssignaler.
Kärnklockan kan också leta efter mörk materia
En av de mest spännande användningarna finns långt från GPS och internet.
Kärnklockan kan bli ett instrument för att testa själva fysikens grundlagar.
En del teorier om mörk materia förutsäger att extremt lätta mörkmateriepartiklar kan bilda fält som får vissa fundamentala naturkonstanter att variera mycket svagt över tid.
Om det händer kan olika typer av atomära och nukleära övergångar påverkas på olika sätt.
Det är här kärnklockan blir intressant.
Ett vanligt atomur reagerar främst genom processer som är kopplade till elektronernas energinivåer. Toriumklockans frekvens bestäms däremot av fysiken inne i kärnan, där även den starka kärnkraften spelar en viktig roll.
Genom att jämföra en kärnklocka med ett vanligt atomur kan forskarna därför leta efter extremt små förändringar som påverkar de två systemen olika.
Wienlaget använde redan sin nya kärnklocka på just det sättet.
Forskarna sökte efter periodiska variationer och långsamma förändringar i toriumövergångens frekvens över tidsperioder från sekunder till ungefär ett dygn.
De upptäckte inte mörk materia.
Däremot kunde mätningarna användas för att sätta nya gränser för hur starkt vissa former av mörk materia kan tänkas påverka vanlig materia.
Det är en viktig skillnad. Kärnklockan har alltså inte hittat mörk materia, men den har redan börjat fungera som ett nytt verktyg för att söka efter den.
Mer om varför sådana experiment behövs finns i vår genomgång av jakten på mörk materia.
Varför är en kristall så viktig?
En detalj i de nya kärnklockorna kan visa sig vara minst lika betydelsefull som toriumet självt.
Forskarna bäddar in torium-229 i en liten kristall av kalciumfluorid.
Det betyder att ett enormt antal kärnor kan samlas på mycket liten yta.
Ett traditionellt optiskt atomur kan behöva hålla enstaka joner eller relativt små mängder atomer i extremt kontrollerade miljöer. I en kristall kan väldigt många toriumkärnor mätas samtidigt.
Det kan i framtiden göra systemen mindre och mer robusta.
Men det skapar också ett problem.
Kristallens elektriska och magnetiska miljö kan påverka kärnarnas energinivåer och göra resonansen bredare. Sådana störningar begränsar fortfarande hur exakt klockan kan bli.
En del av nästa generations forskning kommer därför att handla om att både förbättra kristallerna och förstå exakt hur materialet påverkar toriumkärnorna.
Den svåra lasern är ett annat hinder
Även laserljuset är en teknisk utmaning.
Våglängden kring 148 nanometer ligger i det vakuumultravioletta området. Sådant ljus absorberas snabbt av vanlig luft och är betydligt svårare att producera, kontrollera och transportera än det synliga eller nära infraröda laserljus som används i många atomur.
Forskarna måste därför bygga mycket specialiserade ljuskällor och optiska system.
Det är en av anledningarna till att kärnklockan har tagit så lång tid att realisera trots att torium-229 pekades ut som en lovande kandidat för årtionden sedan.
Den vetenskapliga idén har alltså funnits länge.
Det svåra har varit att utveckla tekniken som gör det möjligt att faktiskt använda den.
När kan kärnklockor börja användas?
Det finns ännu ingen tidpunkt då kärnklockor väntas börja ersätta dagens atomur i GPS-satelliter, datacenter eller annan kommersiell infrastruktur.
Forskningen befinner sig fortfarande på laboratoriestadiet.
Nästa steg handlar bland annat om att förbättra stabiliteten, minska påverkan från kristallmiljön, få ännu bättre kontroll över lasern och jämföra kärnklockor under längre perioder.
Det behövs också oberoende reproduktion av resultaten och system som är praktiska att driva utanför specialiserade fysiklaboratorier.
Det är därför rimligare att se 2026 som starten på kärnklockans tekniska era än som året då atomuret blev föråldrat.
Den grundläggande principen har gått från teori och spektroskopi till en fungerande klocka.
Nu börjar arbetet med att göra den riktigt bra.
Den vetenskapliga huvudstudien om en av de nya kärnklockorna finns publicerad i Nature.
Därför är genombrottet viktigt trots att atomuren fortfarande är bättre
Det mest intressanta med kärnklockan är inte ett nytt rekord i antal decimaler.
Det är att fysiker har fått tillgång till en helt ny sorts referens.
Atomur har blivit så bra att de kan mäta effekter av relativitetsteorin över mycket små höjdskillnader och är på väg att förändra hur själva sekunden definieras.
Kärnklockan öppnar samtidigt ett annat fönster mot fysiken eftersom dess frekvens bestäms av atomkärnan i stället för elektronmolnet.
Det kan på längre sikt ge bättre klockor.
Men även om kärnklockor aldrig skulle slå varje atomur på ren precision kan de ändå bli värdefulla genom att vara kompaktare, robustare eller känsliga för annan fysik.
Det är därför 2026 års resultat är ett verkligt genombrott.
Inte för att världens bästa klocka redan har ersatts – utan för att forskarna för första gången har fått själva atomkärnan att hålla takten.