Η διέγερση του θορίου-229 φέρνει πιο κοντά ένα λειτουργικό πυρηνικό ρολόι - Physics World

Ένα πυρηνικό ρολόι που βασίζεται στο θόριο-229 είναι ένα βήμα πιο κοντά τώρα που ερευνητές στη Γερμανία και την Αυστρία έδειξαν ότι μπορούν να βάλουν τους πυρήνες του ισοτόπου σε μια χαμηλή μετασταθή κατάσταση.

Η εξαιρετικά χαμηλή ενέργεια διέγερσης 8 eV αντιστοιχεί στο φως στο υπεριώδες κενό, το οποίο μπορεί να δημιουργηθεί από ένα λέιζερ. Ως αποτέλεσμα, η μετάβαση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός ακριβούς ρολογιού. Ένα τέτοιο πυρηνικό ρολόι θα ήταν, κατ' αρχήν, πιο σταθερό από τα υπάρχοντα ατομικά ρολόγια επειδή θα ήταν πολύ λιγότερο ευαίσθητο στον περιβαλλοντικό θόρυβο. Ένα πυρηνικό ρολόι θα μπορούσε επίσης να είναι πιο πρακτικό επειδή σε αντίθεση με ένα ατομικό ρολόι, θα μπορούσε να είναι μια συσκευή εντελώς στερεάς κατάστασης.

Ωστόσο, αυτή η υψηλή ακρίβεια και σταθερότητα καθιστά δύσκολη την παρατήρηση και τη διέγερση αυτής της μετάβασης επειδή το εμπλεκόμενο φως έχει πολύ στενό εύρος ζώνης και μπορεί να είναι δύσκολο να βρεθεί. Πράγματι, μόλις πέρυσι οι ερευνητές του CERN έκαναν το πρώτη άμεση μέτρηση των φωτονίων από τη μετάβαση, ενώ η ύπαρξη της μετάβασης επιβεβαιώθηκε το 2016.

Λέιζερ χαμηλότερου κόστους

Το Θόριο-229 δεν είναι ο μόνος πυρήνας που εξερευνάται για χρήση σε ένα πυρηνικό ρολόι. Εργάζομαι πάνω σε Το scandium-45 έχει προχωρήσει περαιτέρω, αλλά αυτός ο πυρήνας έχει μεταβατική ενέργεια 12.4 keV. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να συνδυαστεί με ένα λέιζερ ακτίνων Χ για να δημιουργηθεί ένα ρολόι – και τέτοια λέιζερ είναι μεγάλα και ακριβά.

Η νέα έρευνα έγινε από μια συνεργασία φυσικών από το Ομοσπονδιακό Φυσικό και Τεχνικό Ινστιτούτο στο Μπράουνσβαϊγκ της Γερμανίας και το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης στην Αυστρία. Ένα από τα μέλη της ομάδας είναι Ekkehard Peik, ο οποίος είχε την ιδέα ενός πυρηνικού ρολογιού πριν από 20 χρόνια.

Τα πυρηνικά και τα ατομικά ρολόγια λειτουργούν σχεδόν με τον ίδιο τρόπο. Η μετάβαση του ενδιαφέροντος διεγείρεται από ένα λέιζερ (ή μέιζερ) και το εκπεμπόμενο φως αποστέλλεται σε έναν μηχανισμό ελέγχου ανάδρασης που κλειδώνει τη συχνότητα του λέιζερ στη συχνότητα της μετάβασης. Η εξαιρετικά σταθερή συχνότητα του φωτός λέιζερ είναι η έξοδος του ρολογιού.

Τα πρώτα ρολόγια (και το τρέχον διεθνές πρότυπο ώρας) χρησιμοποιούν μικροκύματα και άτομα καισίου, ενώ τα καλύτερα ρολόγια σήμερα (που ονομάζονται οπτικά ρολόγια) χρησιμοποιούν φως και άτομα συμπεριλαμβανομένου του στροντίου και του υττέρβιου. Τα οπτικά ατομικά ρολόγια είναι τόσο αξιόπιστα που ακόμη και μετά από δισεκατομμύρια χρόνια θα σβήνουν μόνο λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Το μικρότερο είναι καλύτερο

Ένα μεγάλο μέρος αυτής της απόδοσης οφείλεται στο πώς τα άτομα παγιδεύονται και προστατεύονται από τον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο – κάτι που είναι μια σημαντική πειραματική πρόκληση. Αντίθετα, οι πυρήνες είναι πολύ μικρότεροι από τα άτομα, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν πολύ λιγότερη αλληλεπίδραση με τον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο. Πράγματι, αντί να απομονώνονται σε μια παγίδα, οι πυρήνες του ρολογιού θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε ένα στερεό υλικό. Αυτό θα απλοποιούσε σημαντικά τον σχεδιασμό του ρολογιού.

Στο πείραμά τους, οι Αυστριακοί και Γερμανοί φυσικοί ντοπάρισαν κρυστάλλους φθοριούχου ασβεστίου με πυρήνες θορίου-229, τους οποίους πήραν από ένα πρόγραμμα πυρηνικού αφοπλισμού στις ΗΠΑ. Οι κρύσταλλοι που είχαν προστεθεί με θόριο είχαν μόνο μερικά χιλιοστά σε διάμετρο. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν ένα επιτραπέζιο λέιζερ για να διεγείρουν το θόριο-229 στην επιθυμητή πυρηνική κατάσταση χαμηλής ενέργειας. Αυτή η διέγερση επιβεβαιώθηκε χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται φθορισμός συντονισμού, η οποία περιλαμβάνει την ανίχνευση των φωτονίων που εκπέμπονται όταν οι διεγερμένοι πυρήνες αποσυντίθενται πίσω στη βασική κατάσταση.

«Αυτή η έρευνα είναι ένα πολύ σημαντικό βήμα στην ανάπτυξη ενός πυρηνικού ρολογιού», λέει Piet Van Duppen του KU Leuven στο Βέλγιο, που εργάζεται στα πυρηνικά ρολόγια. «Αποδεικνύει ότι αυτή η εξέλιξη είναι τεχνικά εφικτή, επίσης για ρολόγια στερεάς κατάστασης. Υποθέσαμε ότι η διέγερση με λέιζερ της πυρηνικής μετάπτωσης θα ήταν ανιχνεύσιμη σε οπτικές παγίδες, αλλά μέχρι τώρα υπήρχαν αμφιβολίες αν αυτό συνέβαινε και στους κρυστάλλους στερεάς κατάστασης».

Οι πιθανές εφαρμογές για τα πυρηνικά ρολόγια του μέλλοντος έγκεινται κυρίως στην ανίχνευση μικροσκοπικών χρονικών διακυμάνσεων που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέα φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει παραλλαγές στις θεμελιώδεις δυνάμεις και σταθερές. Συγκεκριμένα, τα ρολόγια θα μπορούσαν να αποκαλύψουν νέα φυσική αναζητώντας παραλλαγές στην πυρηνική δύναμη, η οποία συνδέει τους πυρήνες μεταξύ τους και τελικά καθορίζει τη συχνότητα του ρολογιού. Ως αποτέλεσμα, τα πυρηνικά ρολόγια θα μπορούσαν να ρίξουν φως σε μερικά από τα μεγάλα μυστήρια της φυσικής, όπως η φύση της σκοτεινής ύλης,

Τα ρολόγια θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της διαστολής του χρόνου λόγω διαφορών στη βαρυτική έλξη της Γης. Αυτό θα μπορούσε να γίνει χρησιμοποιώντας μικροσκοπικά και εξαιρετικά κινητά πυρηνικά ρολόγια σε τσιπ που θα μπορούσαν εύκολα να μετακινηθούν σε διαφορετικές τοποθεσίες. Αυτό θα ήταν πολύ χρήσιμο για την πραγματοποίηση γεωδαισίων και γεωλογικών μελετών.

Ένα έγγραφο που περιγράφει την έρευνα έγινε δεκτό για δημοσίευση στο Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/