परमाणु घड़ी संक्रमण से फोटोन लंबे समय तक देखे जाते हैं - फिजिक्स वर्ल्ड

पहला प्रत्यक्ष माप थोरियम-229 परमाणु संक्रमण से किया गया है जो संभावित रूप से "परमाणु घड़ी" का आधार बन सकता है। CERN में किया गया यह शोध 2016 के एक प्रयोग का अनुसरण करता है जिसने संक्रमण के अस्तित्व की पुष्टि की लेकिन परिणामी उत्सर्जित फोटॉन का पता नहीं लगाया। एक कार्यशील घड़ी का उत्पादन करने से पहले बहुत काम करना बाकी है, लेकिन यदि ऐसा उपकरण संभव साबित होता है, तो यह मौलिक भौतिकी में अनुसंधान के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण साबित हो सकता है।

आज की सबसे सटीक घड़ियाँ स्ट्रोंटियम या येटरबियम जैसे परमाणुओं के वैकल्पिक रूप से फंसे हुए समूहों पर आधारित हैं। अत्यधिक स्थिर लेजर विशिष्ट परमाणु संक्रमणों की आवृत्तियों के साथ अनुनाद में बंद हो जाते हैं, और लेजर दोलन प्रभावी रूप से पेंडुलम स्विंग की तरह व्यवहार करते हैं - यद्यपि बहुत अधिक आवृत्तियों और इसलिए अधिक सटीकता के साथ। ये घड़ियाँ 1 में 10 भाग के भीतर स्थिर हो सकती हैं²⁰, जिसका अर्थ है कि वे 10 अरब वर्षों के संचालन के बाद केवल 13.7 एमएस से बाहर हो जाएंगे - ब्रह्मांड की आयु।

परमाणु घड़ियाँ सिर्फ महान समय-रक्षक नहीं हैं, भौतिकविदों ने उनका उपयोग कई मूलभूत घटनाओं का अध्ययन करने के लिए किया है जैसे कि आइंस्टीन का सापेक्षता का सामान्य सिद्धांत ऑप्टिकल जाल में सीमित परमाणुओं पर कैसे लागू होता है। 2003 में, पहले से कहीं अधिक सटीकता और गहरी अंतर्दृष्टि की खोज में एक्केहार्ड पेइक और जर्मनी के ब्राउनश्वेग में फिज़िकलिश-टेक्नीस बुंडेसनस्टाल्ट के क्रिश्चियन टैम ने प्रस्ताव दिया कि परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा स्तरों से नहीं बल्कि परमाणु ऊर्जा स्तरों से पूछताछ करके एक घड़ी का उत्पादन किया जा सकता है।

बहुत छोटा एंटीना

ऐसी परमाणु घड़ी बाहरी शोर से बहुत अच्छी तरह से अलग होगी। “एक परमाणु 10 जैसा कुछ होता है^-10 मी [पार]; एक नाभिक 10 जैसा कुछ होता है^-14 या 10^-15 मी,'' बताते हैं सैंड्रो क्रेमर बेल्जियम में केयू ल्यूवेन की, जो इस नवीनतम शोध में शामिल थे। "नाभिक पर्यावरण के लिए बहुत छोटा एंटीना है और इस प्रकार इसमें बदलाव की संभावना बहुत कम होती है।"

इसलिए एक परमाणु घड़ी सूक्ष्म संरचना स्थिरांक जैसे मूलभूत स्थिरांक के मूल्यों में काल्पनिक, बहुत छोटे अस्थायी बदलावों की एक उत्कृष्ट जांच हो सकती है, जो विद्युत चुम्बकीय संपर्क की ताकत को मापती है। ऐसा कोई भी परिवर्तन मानक मॉडल से परे भौतिकी की ओर इशारा करेगा। इसके अलावा, परमाणु बंधन अपने परमाणु समकक्ष से अधिक मजबूत है, इसलिए ऊर्जा स्तरों के बीच बदलाव ऊर्जा में अधिक हैं और उच्च आवृत्ति वाले लेज़रों के साथ प्रतिध्वनित होंगे, जिससे छोटे परिवर्तन का पता लगाया जा सकेगा।

हालाँकि, यह एक दोधारी तलवार है, क्योंकि अधिकांश परमाणु संक्रमण आज के लेज़रों द्वारा उत्पादित की जा सकने वाली आवृत्तियों की तुलना में कहीं अधिक उच्च आवृत्तियों पर होते हैं। हालाँकि, थोरियम-229 में जमीनी अवस्था से लगभग 8 eV ऊपर एक मेटास्टेबल उत्तेजित अवस्था होती है - एक संक्रमण जो वैक्यूम पराबैंगनी में होता है।

उत्तेजना के लिए उपयुक्त

क्रेमर बताते हैं कि इस अवस्था को उत्तेजित करने के लिए एक लेज़र का निर्माण करना लगभग संभव होना चाहिए, "आज हम जो 3000 या उससे अधिक रेडियोन्यूक्लियस जानते हैं, उनमें से थोरियम ही एकमात्र ऐसा है जिसके पास लेज़र उत्तेजना के लिए उपयुक्त अवस्था है"।

हालाँकि, सबसे पहले, शोधकर्ताओं को संक्रमण की सटीक आवृत्ति जानने की आवश्यकता है। दरअसल, सिद्धांत द्वारा लंबे समय से क्षय की भविष्यवाणी की गई थी, लेकिन उत्सर्जित फोटॉन का पता लगाने के प्रयास असफल साबित हुए थे। हालाँकि, 2016 में, म्यूनिख के लुडविग मैक्सिमिलियन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अप्रत्यक्ष रूप से इसके अस्तित्व की पुष्टि की आंतरिक रूपांतरण नामक प्रक्रिया में इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन को मापकर, जिसमें परमाणु क्षय की ऊर्जा परमाणु को आयनित करती है।

भौतिक विज्ञानी न्यूनतम परमाणु उत्तेजित अवस्था की ऊर्जा मापते हैं

अब, क्रेमर और उनके सहयोगियों ने उत्तेजित थोरियम-229 आयनों का अध्ययन करके उत्सर्जित वैक्यूम पराबैंगनी फोटॉन का पहला प्रत्यक्ष पता लगाया है। क्रेमर का कहना है कि अंतर्निहित विचार नया नहीं है, लेकिन पहले शोधकर्ताओं ने यूरेनियम -233 को क्रिस्टल में प्रत्यारोपित करके ऐसा करने की कोशिश की है, जो उत्तेजित थोरियम -229 में क्षय हो सकता है। क्रेमर कहते हैं, समस्या यह है कि यह क्रिस्टल में 4 MeV से अधिक ऊर्जा छोड़ता है, जो "कैंसर को मारने के लिए अच्छा है, लेकिन वास्तव में हमारे लिए बुरा है" क्योंकि यह क्रिस्टल को नुकसान पहुंचाता है, इसके ऑप्टिकल गुणों में हस्तक्षेप करता है।

इसलिए नए काम में, शोधकर्ताओं ने एक्टिनियम-229 आयनों को मैग्नीशियम फ्लोराइड और कैल्शियम फ्लोराइड क्रिस्टल में प्रत्यारोपित करने के लिए CERN की ISOLDE सुविधा का उपयोग किया। ये β-क्षय द्वारा मेटास्टेबल उत्तेजित थोरियम-229 नाभिक में क्षय कर सकते हैं, जो क्रिस्टल में परिमाण कम ऊर्जा के चार ऑर्डर जारी करता है। इसलिए शोधकर्ता फोटॉन का पता लगा सकते हैं और संक्रमण ऊर्जा को माप सकते हैं। अंतिम सटीकता अभी भी घड़ी बनाने के लिए आवश्यक अनिश्चितता से काफी कम है, और शोधकर्ता अब इसे परिष्कृत करने के लिए लेजर भौतिकविदों के साथ काम कर रहे हैं।

काइल बेलोय यूएस नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी के माप से प्रभावित हैं। वे कहते हैं, "इस थोरियम-229 प्रणाली में परमाणु घड़ी के रूप में और इससे भी अधिक अंततः मौलिक भौतिकी के परीक्षण करने की बहुत महत्वपूर्ण क्षमता है।" “इस [कार्य] में, वे एक फोटॉन का निरीक्षण करते हैं क्योंकि यह उत्तेजित अवस्था से नीचे जमीनी अवस्था तक उत्सर्जित होता है, और अंततः यहां समुदाय का लक्ष्य इसके विपरीत करना है। नाभिक द्वारा अवशोषित आवृत्तियों का संकीर्ण बैंड मिलीहर्ट्ज़ के क्रम पर है, जबकि हम कितनी अच्छी तरह जानते हैं कि यह 10 के क्रम पर है¹² हर्ट्ज़, तो यह भूसे के ढेर में सुई की तरह है, और अनिवार्य रूप से उन्होंने जो किया है वह भूसे के ढेर के आकार को सात गुना कम करना है। यह परिवर्तन को उत्साहित करने की खोज करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए एक बड़ा कदम है।

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/photons-from-nuclear-clock-transition-are-seen-at-long-last/