إثارة الثوريوم-229 تقرب الساعة النووية العاملة - عالم الفيزياء

أصبحت الساعة النووية المعتمدة على الثوريوم-229 على بعد خطوة واحدة الآن، بعد أن أظهر باحثون في ألمانيا والنمسا أنهم قادرون على وضع نوى النظير في حالة منخفضة شبه مستقرة.

تتوافق طاقة الإثارة المنخفضة بشكل استثنائي البالغة 8 فولت مع الضوء الموجود في الفراغ فوق البنفسجي، والذي يمكن توليده بواسطة الليزر. ونتيجة لذلك، يمكن استخدام الانتقال لإنشاء ساعة دقيقة. ومن حيث المبدأ، ستكون مثل هذه الساعة النووية أكثر استقرارًا من الساعات الذرية الموجودة حاليًا، لأنها ستكون أقل عرضة للضوضاء البيئية. يمكن أن تكون الساعة النووية أيضًا أكثر عملية لأنها على عكس الساعة الذرية، يمكن أن تكون جهازًا ذو حالة صلبة تمامًا.

ومع ذلك، فإن هذه الدقة العالية والاستقرار يجعل من الصعب مراقبة وإثارة هذا التحول لأن الضوء المعني له نطاق ترددي ضيق جدًا وقد يكون من الصعب العثور عليه. وفي الواقع، لم يتمكن الباحثون في CERN من التوصل إلى هذه النتيجة إلا في العام الماضي القياس المباشر الأول من الفوتونات من التحول، في حين أن وجود المرحلة الانتقالية تم تأكيده في عام 2016.

ليزر منخفض التكلفة

الثوريوم-229 ليس النوى الوحيدة التي يتم استكشافها لاستخدامها في الساعة النووية. يعمل على تم تطوير سكانديوم-45 بشكل أكبرلكن هذه النواة لديها طاقة انتقالية قدرها 12.4 كيلو إلكترون فولت. وهذا يعني أنه يجب إقرانها بليزر الأشعة السينية لإنشاء ساعة - وأجهزة الليزر هذه كبيرة ومكلفة.

تم إجراء البحث الجديد بالتعاون بين فيزيائيين من المعهد الفيدرالي الفيزيائي والتقني في براونشفايغ، ألمانيا، وجامعة فيينا للتكنولوجيا في النمسا. أحد أعضاء الفريق هو إيكيهارد بيكالذي جاء بفكرة الساعة النووية قبل 20 عامًا.

تعمل الساعات النووية والذرية بنفس الطريقة تقريبًا. يتم تحفيز عملية الانتقال محل الاهتمام بواسطة الليزر (أو الميزر) ويتم إرسال الضوء المنبعث إلى آلية التحكم في التغذية الراجعة التي تعمل على تثبيت تردد الليزر على تردد عملية الانتقال. التردد المستقر للغاية لضوء الليزر هو مخرجات الساعة.

تستخدم الساعات الأولى (ومعيار التوقيت الدولي الحالي) الموجات الدقيقة وذرات السيزيوم، بينما تستخدم أفضل الساعات اليوم (وتسمى الساعات الضوئية) الضوء والذرات بما في ذلك السترونتيوم والإيتربيوم. الساعات الذرية الضوئية موثوقة للغاية لدرجة أنه حتى بعد مليارات السنين، فإنها لن تنقطع إلا ببضعة أجزاء من الثانية.

الأصغر هو الأفضل

ويعود جزء كبير من هذا الأداء إلى كيفية احتجاز الذرات وحمايتها من الضوضاء الكهرومغناطيسية، وهو ما يمثل تحديًا تجريبيًا كبيرًا. وفي المقابل، فإن النوى أصغر بكثير من الذرات، مما يعني أن تفاعلها مع الضوضاء الكهرومغناطيسية أقل بكثير. وفي الواقع، بدلًا من عزلها في فخ، يمكن غرس نوى الساعة في مادة صلبة. وهذا من شأنه تبسيط تصميم الساعة إلى حد كبير.

في تجربتهم، قام الفيزيائيون النمساويون والألمان بتطعيم بلورات فلوريد الكالسيوم بنواة الثوريوم 229، والتي حصلوا عليها من برنامج نزع السلاح النووي في الولايات المتحدة. كان عرض البلورات المشبعة بالثوريوم بضعة ملليمترات فقط. ثم استخدموا ليزرًا سطحيًا لإثارة الثوريوم-229 إلى الحالة النووية المنخفضة الطاقة المرغوبة. تم تأكيد هذا الإثارة باستخدام تقنية تسمى مضان الرنين، والتي تتضمن الكشف عن الفوتونات المنبعثة عندما تتحلل النوى المثارة وتعود إلى الحالة الأرضية.

يقول: "يعد هذا البحث خطوة مهمة جدًا في تطوير الساعة النووية". بيت فان دوبن من جامعة KU Leuven في بلجيكا، والذي يعمل على الساعات النووية. "إنه يثبت أن هذا التطور ممكن من الناحية التقنية، وكذلك بالنسبة لساعات الحالة الصلبة. لقد افترضنا أن الإثارة الليزرية للتحول النووي يمكن اكتشافها في المصائد الضوئية، ولكن حتى الآن كانت هناك شكوك حول ما إذا كان هذا هو الحال أيضًا في بلورات الحالة الصلبة.

تكمن التطبيقات المحتملة للساعات النووية في المستقبل بشكل رئيسي في اكتشاف الاختلافات الزمنية الصغيرة التي يمكن أن تشير إلى فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي. يمكن أن يشمل ذلك اختلافات في القوى والثوابت الأساسية. على وجه الخصوص، يمكن للساعات أن تكشف عن فيزياء جديدة من خلال البحث عن الاختلافات في القوة النووية، التي تربط النوى معًا وتحدد في النهاية تردد الساعة. ونتيجة لذلك، يمكن للساعات النووية أن تسلط الضوء على بعض الألغاز الكبيرة في الفيزياء مثل طبيعة المادة المظلمة،

يمكن أيضًا استخدام الساعات لقياس تمدد الزمن بسبب الاختلافات في جاذبية الأرض. ويمكن القيام بذلك باستخدام ساعات نووية مصغرة وعالية الحركة على شرائح يمكن نقلها بسهولة إلى مواقع مختلفة. سيكون هذا مفيدًا جدًا لإجراء الدراسات الجيوديسية والجيولوجية.

ورقة تصف البحث تم قبوله للنشر في رسائل المراجعة البدنية.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/