Excitation af thorium-229 bringer et fungerende nukleart ur nærmere – Physics World

Excitation af thorium-229 bringer et fungerende nukleart ur nærmere – Physics World

Tidsstempel: 18. april 2024 kl. 4


Foto af ure
Solid-state ticker: thorium-229 kunne danne grundlaget for et chip-baseret nukleart ur. (Med høflighed: iStock/Tadamichi)

Et atomur baseret på thorium-229 er et skridt nærmere, nu hvor forskere i Tyskland og Østrig har vist, at de kan sætte isotopens kerner i en lavtliggende metastabil tilstand.

Den usædvanligt lave 8 eV excitationsenergi svarer til lys i vakuumet ultraviolet, som kan genereres af en laser. Som et resultat kunne overgangen bruges til at skabe et nøjagtigt ur. Et sådant nukleart ur ville i princippet være mere stabilt end eksisterende atomure, fordi det ville være meget mindre modtageligt for støj fra omgivelserne. Et atomur kunne også være mere praktisk, fordi det i modsætning til et atomur kunne være en fuldstændig solid-state enhed.

Men denne høje nøjagtighed og stabilitet gør det vanskeligt at observere og excitere denne overgang, fordi det involverede lys har en meget smal båndbredde og kan være svær at finde. Faktisk var det først sidste år, at forskere ved CERN lavede det første direkte måling af fotoner fra overgangen, hvorimod overgangens eksistens blev bekræftet i 2016.

Lavere pris laser

Thorium-229 er ikke de eneste kerner, der udforskes til brug i et nukleart ur. Arbejde på scandium-45 er yderligere avanceret, men denne kerne har en overgangsenergi på 12.4 keV. Det betyder, at den skal parres med en røntgenlaser for at skabe et ur – og sådanne lasere er store og dyre.

Den nye forskning blev udført af et samarbejde mellem fysikere fra Federal Physical and Technical Institute i Braunschweig, Tyskland, og Wiens teknologiske universitet i Østrig. En af teammedlemmerne er Ekkehard Peik, der kom på ideen om et atomur for 20 år siden.

Atom- og atomure fungerer stort set på samme måde. Overgangen af ​​interesse exciteres af en laser (eller maser), og det udsendte lys sendes til en feedback-kontrolmekanisme, der låser laserens frekvens til frekvensen af ​​overgangen. Den ekstremt stabile frekvens af laserlyset er urets output.

De første ure (og den nuværende internationale tidsstandard) bruger mikrobølger og cæsiumatomer, mens de bedste ure i dag (kaldet optiske ure) bruger lys og atomer inklusive strontium og ytterbium. Optiske atomure er så pålidelige, at de selv efter milliarder af år ville være ude med blot et par millisekunder.

Mindre er bedre

En stor del af denne præstation er ned til, hvordan atomerne er fanget og afskærmet fra elektromagnetisk støj - hvilket er en betydelig eksperimentel udfordring. I modsætning hertil er kernerne meget mindre end atomer, hvilket betyder, at de har meget mindre interaktion med elektromagnetisk støj. I stedet for at blive isoleret i en fælde, kunne urkerner være indlejret i et fast materiale. Dette ville i høj grad forenkle urdesignet.

I deres eksperiment dopede de østrigske og tyske fysikere calciumfluoridkrystaller med thorium-229 kerner, som de fik fra et nuklear nedrustningsprogram i USA. De thorium-doterede krystaller var kun et par millimeter på tværs. De brugte derefter en bordlaser til at excitere thorium-229 til den ønskede lavenergi-nukleare tilstand. Denne excitation blev bekræftet ved hjælp af en teknik kaldet resonansfluorescens, som involverer detektering af de fotoner, der udsendes, når de exciterede kerner henfalder tilbage til grundtilstanden.

"Denne forskning er et meget vigtigt skridt i udviklingen af ​​et nukleart ur," siger Piet Van Duppen fra KU Leuven i Belgien, der arbejder med atomure. ”Det beviser, at denne udvikling er teknisk mulig, også for solid-state ure. Vi antog, at laserexcitation af den nukleare overgang ville være sporbar i optiske fælder, men indtil nu var der tvivl om, hvorvidt dette også var tilfældet i faststofkrystaller."

Potentielle anvendelser for fremtidens nukleare ure ligger hovedsageligt i påvisningen af ​​små tidsvariationer, der kunne pege på ny fysik ud over standardmodellen. Dette kunne omfatte variationer i de grundlæggende kræfter og konstanter. Især kunne urene afsløre ny fysik ved at lede efter variationer i kernekraften, som binder kerner sammen og i sidste ende definerer urfrekvensen. Som et resultat kunne nukleare ure kaste lys over nogle af de store mysterier i fysik, såsom naturen af ​​mørkt stof,

Urene kunne også bruges til at måle tidsudvidelse på grund af forskelle i Jordens tyngdekraft. Dette kunne gøres ved hjælp af miniature og meget mobile nukleare ure på chips, der nemt kunne flyttes rundt til forskellige steder. Dette ville være meget nyttigt til at lave geodæsi og geologiske undersøgelser.

Et papir, der beskriver forskningen er blevet accepteret til offentliggørelse i Fysiske anmeldelsesbreve.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden