50 साल की खोज के बाद वियना और बीजिंग में पहली न्यूक्लियर घड़ियाँ चल पड़ीं

एक नाभिकीय घड़ी—जो इलेक्ट्रॉनों के बजाय परमाणु के नाभिक के सहारे समय गिनती है—आखिरकार टिकने लगी है। वियना में, एक क्रिस्टल के भीतर बंद थोरियम नाभिकों पर स्थिर किया गया लेज़र बिना किसी मानवीय हस्तक्षेप के पूरे एक दिन से अधिक समय तक अपनी लय बनाए रहा, जबकि बीजिंग की एक टीम ने स्वतंत्र रूप से इसी प्रकार की दूसरी घड़ी बनाई।

इस तरह ये पहली कामकाजी नाभिकीय घड़ियां बन गई हैं, ऐसा उपकरण जिसका भौतिकविद दशकों से पीछा कर रहे थे। नाभिक अत्यंत छोटा होता है और अपने इलेक्ट्रॉन बादल से संरक्षित रहता है, इसलिए भटके हुए क्षेत्र, गर्मी और कंपन उस तक मुश्किल से पहुंचते हैं। इस पर आधारित घड़ी एक दिन उपग्रह नेविगेशन, इंटरनेट और सेकंड की परिभाषा चलाने वाली परमाणु घड़ियों से भी अधिक स्थिरता से समय रख सकती है।

वियना की घड़ी TU Wien में थॉर्स्टन शुम (Thorsten Schumm) के समूह और जर्मनी के राष्ट्रीय मापविज्ञान संस्थान PTB में एकेहार्ड पाइक (Ekkehard Peik) के समूह की देन है। बीजिंग की घड़ी Tsinghua University की उस टीम से आई है, जिसका नेतृत्व शिचियान डिंग (Shiqian Ding) ने किया और जिसने 13 अन्य चीनी संस्थानों के साथ काम किया। दोनों शोधपत्र Nature के एक ही अंक में प्रकाशित हुए और दोनों में वही दुर्लभ समस्थानिक, थोरियम-229, इस्तेमाल हुआ है।

शुम ने Reuters से कहा, “नाभिकीय घड़ी का निर्माण ऐसी चीज थी जिसका भौतिकविदों ने लगभग 50 वर्षों तक सपना देखा था।” उनकी अपनी टीम 2008 से इस लक्ष्य की दिशा में काम कर रही है।

क्रिस्टल और लेज़र समय कैसे रखते हैं

हर घड़ी को किसी ऐसी चीज की जरूरत होती है जो तय दर से दोलन करे। पेंडुलम घड़ी में वह पेंडुलम होता है। परमाणु घड़ी में वह प्रकाश होता है जिसे इलेक्ट्रॉन दो ऊर्जा स्तरों के बीच छलांग लगाते समय अवशोषित करता है; सर्वश्रेष्ठ आधुनिक प्रकाशीय घड़ियों में यह किसी भी यांत्रिक पुर्जे की क्षमता से कहीं अधिक तेजी से दोलन करता है।

नाभिकीय घड़ी यह काम नाभिक के भीतर ले जाती है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भी ऊर्जा स्तर होते हैं, लेकिन उनमें से लगभग सभी इतने ऊंचे होते हैं कि कोई लेज़र उन तक नहीं पहुंच सकता। थोरियम-229 इसका अपवाद है: इसके नाभिक की उत्तेजित अवस्था इतनी कम ऊर्जा की है कि लगभग 148 नैनोमीटर तरंगदैर्ध्य वाले निर्वात पराबैंगनी प्रकाश से उसे प्रेरित किया जा सकता है। फिर भी उसे साधना कठिन है। PTB के अनुसार, लेज़र को संक्रमण ऊर्जा से इलेक्ट्रॉन वोल्ट के दस लाखवें हिस्से के भीतर मेल खाना होता है।

शुम की टीम ने थोरियम-229 मिश्रित कैल्शियम फ्लोराइड क्रिस्टल उगाए, मिलीमीटर आकार के ऐसे टुकड़े जिनमें कमरे के तापमान पर विशाल संख्या में नाभिक समाए रहते हैं। शुम ने कहा, “मूल विचार सरल है: आपके पास एक लेज़र है और आपके पास थोरियम है।” नाभिक केवल एक सटीक आवृत्ति पर प्रकाश अवशोषित करते हैं। यदि लेज़र भटकता है, मसलन कमरे का तापमान हल्का-सा बढ़ जाने से, तो क्रिस्टल कम प्रकाश अवशोषित करता है, एक डिटेक्टर इस कमी को दर्ज करता है और फीडबैक लूप लेज़र को वापस सही दिशा में ले आता है। नाभिक संदर्भ बन जाते हैं और सुधारी गई लेज़र आवृत्ति घड़ी की टिक बन जाती है।

दो तकनीकी बदलावों ने इसे संभव बनाया। PTB और बर्लिन के Max Born Institute ने एक सघन सॉलिड-स्टेट लेज़र बनाया जो निरंतर उत्सर्जन करता है; पुरानी प्रणाली कई वर्ग मीटर ऑप्टिकल टेबलों में फैली होती थी और केवल पल्स में काम करती थी। टीमों ने उत्तेजना के बाद नाभिकों से निकलने वाली मंद चमक गिनना भी बंद कर दिया, जिसे पढ़ने में करीब दस मिनट लगते थे और जो लेज़र को नियंत्रित करने के लिए बहुत धीमा था। इसके बजाय वे मापते हैं कि क्रिस्टल कितनी लेज़र शक्ति निगलता है—ऐसा संकेत जो लूप बंद करने के लिए पर्याप्त तेज है।

वियना बनाम बीजिंग

वियना की घड़ी पारंपरिक प्रकाशीय परमाणु घड़ी से तुलना के दौरान बिना निगरानी के 24 घंटे से अधिक चली। एक सेकंड के औसत पर इसकी सापेक्ष अस्थिरता लगभग 3 × 10⁻¹² थी, और यह बिखराव एक दिन में घटकर 10⁻¹⁵ के करीब पहुंच गया। TU Wien इसे लगभग 3 करोड़ वर्षों में करीब एक सेकंड की त्रुटि के रूप में बताता है—यह आंकड़ा एक दिन लंबे परीक्षण के दौरान मापा गया है, लाखों वर्षों में देखा नहीं गया।

बीजिंग की घड़ी कम समयावधियों में अधिक स्थिर है। Physics World द्वारा प्रकाशित आंकड़ों के अनुसार, एक सेकंड में इसकी अस्थिरता वियना की तुलना में लगभग छह गुना कम है। डिंग की टीम ने अधिक शक्ति के साथ 148.4 नैनोमीटर पर अपना निरंतर लेज़र बनाया और उसने केवल 1.4 माइक्रोग्राम थोरियम-229 से छोटे क्रिस्टल उगाना सीखा, क्योंकि चीन की इस समस्थानिक तक पहुंच सीमित है। स्वतंत्र रूप से उगाए गए दो क्रिस्टलों ने समान संक्रमण आवृत्ति दी, जो कोलोराडो में JILA के पूर्ववर्ती मापों से भी मेल खाती थी।

शुम दोनों नतीजों को पूरक मानते हैं। उन्होंने Reuters को बताया कि वियना के क्रिस्टलों में थोरियम की सांद्रता अधिक है और उनके प्रकाशीय गुण बेहतर हैं, जबकि बीजिंग की टीम के पास अधिक शक्तिशाली लेज़र है। उन्होंने कहा, “इसलिए इन घटकों को एक साथ रखकर ही हम काफी बेहतर घड़ी बना सकते हैं।”

डिंग ने Reuters से कहा, “दोनों टीमों ने स्वतंत्र रूप से काम किया और अलग-अलग प्रायोगिक तरीकों का उपयोग करते हुए एक ही समय पर चालू थोरियम-229 नाभिकीय घड़ियां हासिल कीं,” और जोड़ा कि इससे “यह अवधारणा मजबूत है” साबित होता है।

ये घड़ियां अभी क्या नहीं कर सकतीं

इनमें से कोई भी घड़ी उन परमाणु घड़ियों को पीछे नहीं छोड़ती जिनके मुकाबले इसे मापा गया था। शुम ने कहा, “यह अभी दुनिया की सर्वश्रेष्ठ प्रकाशीय परमाणु घड़ियों के स्तर पर नहीं है।” PTB की घोषणा में पाइक ने इसे और साफ शब्दों में रखा: इसकी स्थिरता “अभी कोई विश्व रिकॉर्ड स्थापित नहीं करती।”

सबसे बड़ा अंतर अनुनाद की तीक्ष्णता में है। पाइक ने Physics World से कहा, “हमने अब 30 kHz की लाइनविड्थ देखी है, लेकिन प्राकृतिक लाइनविड्थ 1 Hz से बहुत नीचे होनी चाहिए।” धुंधला अनुनाद, धुंधली टिक का अर्थ है। क्रिस्टल स्वयं भी इस पहेली का हिस्सा है: थोरियम कैल्शियम फ्लोराइड जालक में कई अलग-अलग स्थानों पर बैठता है, और टीमें अब भी समझ रही हैं कि यह अनुनाद को कैसे आकार देता है। डिंग के अनुसार कैल्शियम फ्लोराइड होस्ट क्रिस्टल प्रदर्शन को सीमित करते हैं और बेहतर होस्ट सामग्रियों की जरूरत है।

दोनों मशीनें प्रयोगशाला प्रोटोटाइप भी हैं। तुलना के लिए वे संदर्भ घड़ियों, विशेष रूप से तैयार पराबैंगनी लेज़रों और ऐसे समस्थानिक पर निर्भर हैं जिसे पाना कठिन है। ऐसा मजबूत उपकरण, जिसे कोई जहाज, उपग्रह या डेटा सेंटर ले जा सके, अभी इंजीनियरिंग की लंबी यात्रा दूर है।

भौतिकविद बेहतर घड़ी क्यों चाहते हैं

घड़ियां रोजमर्रा की जिंदगी को जितना प्रभावित करती हैं, उतना अधिकतर लोग नहीं समझते। उपग्रह नेविगेशन संकेतों के समय में सूक्ष्म अंतर से स्थिति का पता लगाता है। डेटा नेटवर्क परमाणु समय के आधार पर समकालिक किए जाते हैं। सर्वेक्षक और भूभौतिकविद इस तथ्य का उपयोग करते हैं कि पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण में अलग-अलग ऊंचाइयों पर घड़ियां अलग-अलग दर से टिकती हैं।

नाभिकीय घड़ी दो चीजें जोड़ती है। पहली, सॉलिड-स्टेट डिजाइन—जिसमें निर्वात कक्ष में फंसे परमाणु या आयन नहीं होते—अंततः सटीक समय-मापन को छोटा और अधिक मजबूत बना सकता है। दूसरी, थोरियम संक्रमण नाभिक के भीतर की शक्तियों पर निर्भर करता है, इसलिए यदि प्रकृति का कोई स्थिरांक बदलता है या डार्क मैटर का कोई रूप सामान्य पदार्थ को खींचता है, तो इसे परमाणु संक्रमणों की तुलना में कहीं अधिक तीव्र प्रतिक्रिया देनी चाहिए। वियना की टीम अपने प्रोटोटाइप के साथ यह परीक्षण पहले ही कर चुकी है। उसे डार्क मैटर का कोई संकेत नहीं मिला, लेकिन प्रकाश और प्रबल बल के साथ डार्क मैटर युग्मन पर उसकी सीमाएं पहले ही सर्वश्रेष्ठ परमाणु घड़ियों द्वारा तय सीमाओं के बराबर हैं।

University of New South Wales के विक्टर फ्लामबाउम (Victor Flambaum), जो इस काम में शामिल नहीं थे, ने इन उपकरणों को “नाभिकीय घड़ियों के पहले प्रोटोटाइप” कहा। शुम का निष्कर्ष अधिक व्यापक था: “यह भौतिकी के एक बिल्कुल नए ब्रह्मांड तक पहुंच देता है।”

नाभिकीय घड़ी के बारे में आम सवाल

नाभिकीय घड़ी क्या है?

नाभिकीय घड़ी इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों के बीच छलांग के बजाय परमाणु नाभिक के भीतर होने वाले संक्रमण का उपयोग करके समय रखती है। लेज़र को उसी सटीक आवृत्ति पर ट्यून किया जाता है जिसे नाभिक अवशोषित करता है, और वही आवृत्ति घड़ी की टिक बनती है। थोरियम-229 एकमात्र ज्ञात नाभिक है जिसका संक्रमण ऊर्जा में इतना कम है कि उस तक लेज़र से पहुंचा जा सकता है।

क्या नाभिकीय घड़ी रेडियोधर्मी या खतरनाक होती है?

इसका विखंडन या संलयन से कोई संबंध नहीं है और यह कोई नाभिकीय ऊर्जा पैदा नहीं करती। थोरियम-229 एक रेडियोधर्मी समस्थानिक है, लेकिन इन घड़ियों में इसकी अत्यंत छोटी मात्रा क्रिस्टल के भीतर बंद होती है, और लेज़र केवल नाभिक को थोड़ी अधिक ऊर्जा वाली अवस्था तक धकेलता है।

क्या नाभिकीय घड़ी परमाणु घड़ी से अधिक सटीक है?

अभी नहीं। वियना और बीजिंग के प्रोटोटाइप सर्वश्रेष्ठ प्रकाशीय परमाणु घड़ियों से कम स्थिर हैं। उम्मीद यह है कि इलेक्ट्रॉन खोल की तुलना में कहीं छोटे और बेहतर ढंग से संरक्षित नाभिक से, लेज़र और क्रिस्टल बेहतर होने पर, अंततः बेहतर प्रदर्शन मिलेगा।

नाभिकीय घड़ियों का इस्तेमाल किसलिए हो सकता है?

शोधकर्ता उपग्रह नेविगेशन, नेटवर्क समकालिकीकरण, सर्वेक्षण और मौलिक भौतिकी की ओर इशारा करते हैं। चूंकि थोरियम संक्रमण नाभिक के भीतर की शक्तियों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है, ये घड़ियां डार्क मैटर और प्रकृति के स्थिरांकों में बदलाव तलाशने के औजार भी हैं।

अधिक शक्तिशाली लेज़र, बेहतर क्रिस्टल, एकल आयन

नाभिकीय घड़ी के सिद्धांत को पाइक द्वारा 2003 में प्रस्तावित किए जाने के दशकों बाद, शुम और पाइक की टीमों ने अप्रैल 2024 में पहली बार लेज़र से थोरियम नाभिक को उत्तेजित किया। उस वर्ष शरद ऋतु में इस सेटअप को पारंपरिक प्रकाशीय परमाणु घड़ी से जोड़ा गया। स्व-स्थिर वियना घड़ी का वर्णन 7 अक्टूबर 2026 को प्रकाशित Nature शोधपत्र में किया गया है; इसी अंक में Tsinghua का शोधपत्र भी है, साथ ही सितंबर में Nature में प्रकाशित थोरियम नाभिक द्वारा निरंतर-लेज़र अवशोषण पर PTB और TU Wien का एक पूरक अध्ययन भी है।

अगले कदम ठोस हैं। पाइक का समूह लेज़र शक्ति बढ़ाने, डिटेक्टर के सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात को सुधारने और यह पता लगाने के लिए कि अनुनाद को क्या धुंधला करता है, क्रिस्टल में थोरियम के स्थान का मानचित्र बनाने की योजना रखता है। डिंग की टीम कैल्शियम फ्लोराइड से बेहतर होस्ट क्रिस्टल तलाश रही है और एकल फंसे हुए थोरियम आयनों पर बनी घड़ी में रुचि रखती है, जिसे डिंग ने “तकनीकी रूप से कहीं अधिक कठिन” कहा, लेकिन जो संभवतः सर्वोच्च सटीकता का रास्ता हो सकती है।

संदर्भ: 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

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