Eksitasi thorium-229 mendekatkan jam kerja nuklir – Dunia Fisika

Jam nuklir berbasis thorium-229 kini selangkah lebih maju karena para peneliti di Jerman dan Austria telah menunjukkan bahwa mereka dapat menempatkan inti isotop ke dalam keadaan metastabil di dataran rendah.

Energi eksitasi 8 eV yang sangat rendah setara dengan cahaya dalam vakum ultraviolet, yang dapat dihasilkan oleh laser. Hasilnya, transisi dapat digunakan untuk membuat jam yang akurat. Jam nuklir seperti itu, pada prinsipnya, akan lebih stabil dibandingkan jam atom yang sudah ada karena tidak terlalu rentan terhadap kebisingan lingkungan. Jam nuklir juga bisa lebih praktis karena tidak seperti jam atom, jam nuklir dapat berupa perangkat yang sepenuhnya solid-state.

Namun, akurasi dan stabilitas yang tinggi ini menyulitkan untuk mengamati dan menggairahkan transisi ini karena cahaya yang terlibat memiliki bandwidth yang sangat sempit dan sulit ditemukan. Memang baru tahun lalu para peneliti di CERN membuat pengukuran langsung pertama foton dari transisi, sedangkan adanya transisi dikonfirmasi pada tahun 2016.

Laser berbiaya lebih rendah

Thorium-229 bukan satu-satunya inti atom yang sedang dieksplorasi untuk digunakan dalam jam nuklir. Mengerjakan skandium-45 lebih maju, tetapi inti ini mempunyai energi transisi sebesar 12.4 keV. Artinya, laser tersebut harus dipasangkan dengan laser sinar-X untuk membuat jam – dan laser semacam itu berukuran besar dan mahal.

Penelitian baru ini dilakukan oleh kolaborasi fisikawan dari Federal Physical and Technical Institute di Braunschweig, Jerman, dan Vienna University of Technology di Austria. Salah satu anggota tim adalah Ekkehard Peik, yang mencetuskan ide jam nuklir 20 tahun lalu.

Jam nuklir dan jam atom bekerja dengan cara yang hampir sama. Transisi yang diinginkan dirangsang oleh laser (atau maser) dan cahaya yang dipancarkan dikirim ke mekanisme kontrol umpan balik yang mengunci frekuensi laser ke frekuensi transisi. Frekuensi sinar laser yang sangat stabil adalah keluaran jam.

Jam pertama (dan standar waktu internasional saat ini) menggunakan gelombang mikro dan atom cesium, sedangkan jam terbaik saat ini (disebut jam optik) menggunakan cahaya dan atom termasuk strontium dan ytterbium. Jam atom optik sangat andal sehingga bahkan setelah miliaran tahun, jam tersebut hanya akan hilang dalam beberapa milidetik.

Lebih kecil lebih baik

Sebagian besar kinerja ini disebabkan oleh bagaimana atom terperangkap dan terlindung dari gangguan elektromagnetik – yang merupakan tantangan eksperimental yang signifikan. Sebaliknya, inti atom jauh lebih kecil daripada atom, yang berarti interaksinya dengan gangguan elektromagnetik jauh lebih sedikit. Memang, alih-alih diisolasi dalam perangkap, inti jam bisa saja tertanam dalam material padat. Ini akan sangat menyederhanakan desain jam.

Dalam percobaannya, fisikawan Austria dan Jerman mengolah kristal kalsium fluorida dengan inti thorium-229, yang mereka peroleh dari program perlucutan senjata nuklir di AS. Kristal yang didoping thorium hanya berukuran beberapa milimeter. Mereka kemudian menggunakan laser meja untuk merangsang thorium-229 ke keadaan nuklir berenergi rendah yang diinginkan. Eksitasi ini dikonfirmasi menggunakan teknik yang disebut fluoresensi resonansi, yang melibatkan pendeteksian foton yang dipancarkan ketika inti tereksitasi meluruh kembali ke keadaan dasar.

“Penelitian ini merupakan langkah yang sangat penting dalam pengembangan jam nuklir,” katanya Piet Van Duppen dari KU Leuven di Belgia, yang mengerjakan jam nuklir. “Ini membuktikan bahwa pengembangan ini secara teknis mungkin dilakukan, juga untuk jam solid-state. Kami berasumsi bahwa eksitasi laser pada transisi nuklir akan dapat dideteksi dalam perangkap optik, namun hingga saat ini masih ada keraguan apakah hal ini juga terjadi pada kristal padat.”

Potensi penerapan jam nuklir di masa depan terutama terletak pada pendeteksian variasi waktu yang sangat kecil yang dapat menunjukkan fisika baru di luar Model Standar. Hal ini dapat mencakup variasi gaya fundamental dan konstanta. Secara khusus, jam dapat mengungkap ilmu fisika baru dengan mencari variasi gaya nuklir, yang mengikat inti atom menjadi satu dan pada akhirnya menentukan frekuensi jam. Hasilnya, jam nuklir dapat menjelaskan beberapa misteri besar dalam fisika seperti sifat materi gelap,

Jam juga dapat digunakan untuk mengukur pelebaran waktu akibat perbedaan tarikan gravitasi bumi. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan jam nuklir mini dan sangat mobile pada chip yang dapat dengan mudah dipindahkan ke lokasi berbeda. Hal ini akan sangat berguna untuk melakukan studi geodesi dan geologi.

Makalah yang menjelaskan penelitian tersebut telah diterima untuk dipublikasikan di Surat Tinjauan Fisik.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/