שני צוותים, באירופה ובסין, הצליחו לראשונה לייצב לייזר לפי מעבר אנרגיה בתוך גרעיני תוריום־229 ולהפעיל אותם כתקן תדר בעל משוב רציף. המכשירים עדיין מפגרים אחרי השעונים האטומיים האופטיים הטובים ביותר, אך עשויים לסייע בחיפוש אחר חומר אפל ושינויים בכוחות היסוד
קרדיט: TU Vien
שני צוותים, באירופה ובסין, הצליחו לראשונה לייצב לייזר לפי מעבר אנרגיה בתוך גרעיני תוריום־229 ולהפעיל אותם כתקן תדר בעל משוב רציף. המכשירים עדיין מפגרים אחרי השעונים האטומיים האופטיים הטובים ביותר, אך עשויים לסייע בחיפוש אחר חומר אפל ושינויים בכוחות היסוד.
שני המחקרים עדיין פורסמו כמאמרי קדם־פרסום ולא עברו ביקורת עמיתים. הידיעה מדגישה גם שלאחר יותר משני עשורים של מאמצים, שני צוותי מחקר בלתי תלויים מדווחים כי הפעילו את השעונים הגרעיניים הראשונים בעולם. במקום למדוד זמן באמצעות מעברים של אלקטרונים בין רמות אנרגיה, כפי שעושים שעונים אטומיים, השעונים החדשים מבוססים על מעבר בין שני מצבי אנרגיה בתוך גרעינו של האיזוטופ תוריום־229.
ההישג אינו מסתכם בזיהוי המעבר הגרעיני. החוקרים הצליחו להשתמש בגרעיני התוריום כתקן תדר שאליו ננעל לייזר באמצעות מערכת משוב: כאשר תדר הלייזר מתחיל לסטות, בליעת האור בגביש משתנה, והמערכת מתקנת אותו. יכולת זו היא שהופכת את הניסוי מספקטרוסקופיה גרעינית מדויקת לשעון הפועל ברציפות.
את השעונים פיתחו במקביל צוות אירופי בהובלת האוניברסיטה הטכנולוגית של וינה ומכון המטרולוגיה הגרמני PTB, וצוות סיני בהובלת אוניברסיטת צינגהואה. שני המחקרים הועלו ביוני 2026 לשרת מאמרי הקדם־פרסום arXiv ועדיין לא עברו ביקורת עמיתים.
למה תוריום־229 מיוחד כל כך?
בשעון רגיל, המטוטלת מספקת תנודה מחזורית יציבה. בשעון קוורץ זהו גביש רוטט, ואילו בשעון אטומי ה״מטוטלת״ היא תדירות הקרינה הדרושה כדי להעביר אטום בין שני מצבים קוונטיים.
השעונים האטומיים האופטיים המתקדמים משתמשים באור נראה או בתחום קרוב אליו כדי להעביר אלקטרונים בין רמות אנרגיה. הם כה מדויקים, עד שהשוואה ביניהם יכולה לחשוף את השפעת הכבידה הנגרמת מהבדלי גובה קטנים.
שעון גרעיני משתמש באותו עיקרון, אך המעבר מתרחש בתוך גרעין האטום, בין סידורים קוונטיים שונים של הפרוטונים והנייטרונים. בדרך כלל נדרשת קרינה עתירת אנרגיה, כגון קרני גמא, כדי לעורר מעבר גרעיני. תוריום־229 הוא יוצא דופן: אחד ממצביו הגרעיניים המעוררים נמצא רק כ־8.4 אלקטרון־וולט מעל מצב היסוד. לכן אפשר לעורר אותו בעזרת לייזר בתחום העל־סגול הקיצוני, באורך גל של כ־148 ננומטר.
השעון אינו סופר את ההתפרקות הרדיואקטיבית של תוריום־229, אלא מודד את תדירות התהודה שבה גרעיניו קולטים אור ועוברים למצב הגרעיני המעורר.
השלב שהפך תהודה לשעון
בשנת 2024 הצליחו חוקרים לראשונה לעורר ישירות את המעבר הגרעיני בתוריום־229 באמצעות לייזר. בהמשך אותה שנה נמדדה תדירות המעבר ביחס לשעון אטומי מסטרונציום. ההישגים הראו שה״תקתוק״ הגרעיני נגיש למדידה אופטית, אך עדיין לא סיפקו מערכת המסוגלת להשתמש בו כדי לשלוט בלייזר לאורך זמן.
כדי לבנות שעון, נדרש מנגנון משוב. הלייזר צריך להישאר מכוון ללא הרף בדיוק לתהודה הגרעינית, כפי שמפעיל שעון אטומי מסחרי או מעבדתי את המעבר האטומי כדי לתקן את המתנד המקומי שלו.
שני הצוותים החדשים מדדו ברציפות כמה מאור הלייזר נבלע בגבישים המכילים תוריום־229. כאשר התדר נמצא סמוך למרכז התהודה, הבליעה גדלה. סטייה מן התדר גורמת לשינוי באות, ומערכת הבקרה משתמשת בו כדי להחזיר את הלייזר אל התהודה.
השעון האירופי פעל במשך יממה
במערכת האירופית הוטמעו גרעיני תוריום־229 בגביש סידן פלואוריד שאורכו מילימטרים אחדים ופעל בטמפרטורת החדר. לייזר רציף באורך גל של כ־148 ננומטר עבר דרך הגביש, ומערכת משוב מהירה ייצבה את תדרו לפי בליעת האור בגרעיני התוריום.
החוקרים השוו ברציפות תת־הרמוניה של תדר הלייזר לשעון אופטי המבוסס על יון יחיד של איטרביום. המערכת פעלה ברציפות במשך יממה והגיעה, לאחר זמן המיצוע הארוך, לאי־יציבות תדר יחסית המתקרבת ל־10 בחזקת מינוס 15.
הצוות האירופי השתמש כבר בנתוני השעון כדי לחפש תנודות אטיות או מחזוריות באנרגיית המעבר הגרעיני. תנודות כאלה עשויות להיווצר, לפי כמה מודלים, אם חומר אפל קל במיוחד משפיע על הקבועים או הכוחות הקובעים את מבנה גרעין האטום.
החיפוש נערך בטווחי זמן שבין כ־20 שניות ליממה. החוקרים לא דיווחו על גילוי חומר אפל, אך הצליחו להציב מגבלות חדשות על האופן שבו חלקיקי חומר אפל משוערים עשויים להיות מצומדים לפוטונים, לקווארקים ולכוח הגרעיני החזק.
בסין ייצרו לייזר על־סגול חזק יותר
הצוות הסיני השתמש בגבישי סידן פלואוריד שיוצרו במיוחד והכילו ריכוז נמוך יותר של תוריום־229. כדי לקבל אות בליעה חזק פיתחו החוקרים לייזר רציף בהספק של כעשרה מיקרו־ואט ובאורך גל של 148.4 ננומטר.
הקרינה נוצרה באמצעות ערבוב של ארבעה גלים באדי קדמיום – תהליך לא־ליניארי המשלב תדירויות של קרני לייזר כדי ליצור אור בתחום העל־סגול הקיצוני. תא פוטואלקטרי מדד במהירות את עוצמת האור שעברה דרך הגביש, והאות שימש לתיקון תדר הלייזר.
השעון הסיני הגיע לאי־יציבות תדר יחסית של 2 כפול 10 בחזקת מינוס 12, המחולקת בשורש זמן המיצוע בשניות. יתרה מזאת, תדרי השעון שנמדדו בשני גבישים נפרדים התאימו זה לזה ברמה של חלק אחד ב־10 בחזקת 13. לדברי החוקרים, ההתאמה היא צעד חשוב בדרך לייצור תקני תדר מוצקים הניתנים לשחזור.
הבדלים בעוצמת הלייזר בין המערכות אינם מאפשרים לבדם לקבוע איזה שעון טוב יותר. ריכוז התוריום, גודל הגביש, רוחב קו התהודה, רמת הרעש ושיטת יצירת הלייזר משפיעים כולם על ביצועי המכשיר. Nature אף תיקנה את כתבתה המקורית לאחר שההשוואה הראשונית בין ביצועי הלייזרים הסיני והאירופי הייתה מופרזת.
עדיין לא מדויקים יותר מהשעונים האטומיים
הכינוי ״השעונים הגרעיניים הראשונים״ עלול לעורר רושם שכבר נבנו המכשירים המדויקים בעולם. בפועל, מדובר בהוכחת היתכנות של עיקרון פעולה חדש.
השעונים האטומיים האופטיים המובילים מגיעים כיום לדיוק, יציבות או יכולת שחזור בסדר גודל של 10 בחזקת מינוס 18. השעונים הגרעיניים הנוכחיים עדיין רחוקים מהם בכמה סדרי גודל בזמני מיצוע קצרים.
השנייה במערכת היחידות הבין־לאומית גם ממשיכה להיות מוגדרת באמצעות 9,192,631,770 מחזורים של הקרינה המתאימה למעבר העל־דק במצב היסוד של אטום צזיום־133. אף שהקהילה המטרולוגית שוקלת מעבר עתידי להגדרה אופטית של השנייה, השעונים הגרעיניים החדשים אינם מועמדים מיידיים להחליף את הצזיום.
היתרון האפשרי: מיליארדי גרעינים בתוך גביש קטן
לשעון גרעיני מוצק עשוי להיות יתרון מבני חשוב. גרעין האטום קטן בערך פי אלף מענן האלקטרונים, ומוגן בתוכו. לכן המעבר הגרעיני צפוי להיות פחות רגיש לשדות חשמליים ומגנטיים, להתנגשויות ולכמה הפרעות סביבתיות המשפיעות על אלקטרונים.
בנוסף, אפשר להטמיע מספר עצום של גרעיני תוריום בתוך גביש קטן. שעונים אטומיים אופטיים מובילים דורשים לעיתים מערכות ואקום, מלכודות אטומים, קירור בלייזר ובקרה סביבתית מורכבת. שעון גרעיני מוצק עשוי בעתיד לפעול בטמפרטורת החדר ולהיות קטן, עמיד ונייד יותר.
עם זאת, הגביש עצמו אינו סביבה מושלמת. השדות המקומיים שיוצרים האטומים בגביש, טמפרטורת החומר, פגמים וריכוז התוריום יכולים להסיט ולהרחיב את קו התהודה. כדי להגיע לביצועים של השעונים האטומיים המתקדמים יהיה צורך לפתח גבישים אחידים יותר, לייזרים צרים ויציבים יותר ושיטות מדויקות לתיקון השפעות סביבתיות.
לא רק מדידת זמן
היישום המעניין ביותר של השעון הגרעיני עשוי להיות דווקא מחקר בסיסי. האנרגיה הנמוכה באופן חריג של המעבר בתוריום־229 נובעת מביטול כמעט מושלם בין תרומות גדולות של הכוח הגרעיני החזק והכוח האלקטרומגנטי.
משום כך, שינוי זעיר בעוצמת הכוחות או בקבועי הטבע עשוי לגרום לשינוי יחסי גדול יותר בתדר המעבר. השוואה בין שעון גרעיני לשעון אטומי לאורך זמן יכולה אפוא לחפש שינוי בקבוע המבנה הדק, במסות הקווארקים או בעוצמת האינטראקציה החזקה.
פרופ׳ גלעד פרז ממכון ויצמן למדע ועמיתיו הציעו להשתמש בשעוני תוריום לחיפוש אחר חומר אפל קל במיוחד וכוחות חדשים. חומר כזה עשוי להתנהג כשדה מתנודד ולגרום לשינויים זעירים ומחזוריים בתדר השעון. שעון המבוסס על גרעין רגיש במיוחד עשוי לחשוף השפעות שאינן ניתנות למדידה בשעונים רגילים.
בטווח הרחוק יותר, שעונים גרעיניים עמידים וקומפקטיים עשויים לשמש ניווט מדויק גם ללא קליטת לוויינים, סנכרון רשתות תקשורת, מדידת שינויים בשדה הכבידה ומיפוי הפרשי גובה באמצעות תורת היחסות הכללית.
אולם בשלב זה ההישג המרכזי הוא בסיסי יותר: המעבר הגרעיני של תוריום־229 אינו עוד תהודה נדירה שנמדדת בניסוי חד־פעמי. הוא הפך לתקן שמסוגל לייצב מתנד ולתקתק ברציפות – כלומר לשעון.
שאלות ותשובות
מהו שעון גרעיני?
שעון המשתמש בתדירות של מעבר בין שני מצבי אנרגיה בתוך גרעין האטום כתקן למדידת זמן.
במה הוא שונה משעון אטומי?
שעון אטומי רגיל משתמש במעברים של אלקטרונים. שעון גרעיני משתמש בסידור הקוונטי של הפרוטונים והנייטרונים בגרעין.
מדוע משתמשים בתוריום־229?
לתוריום־229 יש מצב גרעיני מעורר בעל אנרגיה נמוכה במיוחד, ולכן אפשר לעורר אותו באמצעות לייזר על־סגול.
האם השעונים החדשים מדויקים יותר מכל שעון אחר?
עדיין לא. השעונים האטומיים האופטיים המובילים מדויקים ויציבים יותר. ההישג הוא בהפעלת תקן תדר גרעיני בעל משוב רציף.
האם השעון משתמש בהתפרקות רדיואקטיבית?
לא. הוא משתמש בבליעת אור בתדר מדויק הגורמת לגרעין לעבור בין שני מצבים קוונטיים.
כיצד הוא עשוי לסייע בחיפוש אחר חומר אפל?
כמה מודלים חוזים שחומר אפל קל יגרום לתנודות זעירות בקבועי הטבע ובאנרגיות גרעיניות. שעון תוריום עשוי למדוד שינויים כאלה.
מקורות ואימות
[1] שני השעונים וההסתייגות מביקורת עמיתים: שני הצוותים פרסמו מאמרי קדם־פרסום ב־3 וב־7 ביוני 2026. כתבת Nature מתארת אותם כשעונים הגרעיניים הפעילים הראשונים, ומציינת תיקון להשוואה הראשונית בין ביצועי הלייזרים. (Nature)
[2] המערכת האירופית: הצוות נעל לייזר רציף למעבר באורך גל של כ־148 ננומטר בגביש סידן פלואוריד בטמפרטורת החדר, השווה אותו לשעון איטרביום והגיע לאחר יממה לאי־יציבות המתקרבת ל־10⁻¹⁵. הצוות גם השתמש בנתונים להצבת מגבלות על מודלים של חומר אפל קל במיוחד. (arXiv)
[3] המערכת הסינית: הצוות השתמש בלייזר רציף של כעשרה מיקרו־ואט, שנוצר באמצעות ערבוב ארבעה גלים באדי קדמיום, והגיע לאי־יציבות של 2×10⁻¹²/√τ. המדידות בשני גבישים הסכימו ברמה של 10⁻¹³. (arXiv)
[4] הדרך אל השעון: ב־2024 נמדד ישירות המעבר הגרעיני של תוריום־229 והושווה לשעון אופטי מסטרונציום, אך המחקרים החדשים מוסיפים את לולאת המשוב הנדרשת להפעלת שעון רציף. (arXiv)
[5] מצב השעונים האטומיים והגדרת השנייה: השנייה עדיין מוגדרת באמצעות תדירות המעבר של צזיום־133, ואילו שעונים אטומיים אופטיים כבר הראו יכולת שחזור בסדר גודל של 10⁻¹⁸. (BIPM)
[6] היתרונות הצפויים של מעבר גרעיני: גרעין האטום מוגן יותר מהפרעות חיצוניות, והמעבר בתוריום־229 רגיש לשינויים בכוחות היסוד ולכן מתאים לבדיקת פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי. (Thorium Nuclear Clock)
[7] הזווית הישראלית: קבוצתו של פרופ׳ גלעד פרז במכון ויצמן חוקרת שימוש בשעוני תוריום לגילוי חומר אפל וכוחות חדשים; במכון מעריכים כי הרגישות עשויה להשתפר מאוד לעומת כלים המבוססים רק על מעברים אלקטרוניים.
עוד בנושא באתר הידען:
