Excitatie van thorium-229 brengt een werkende nucleaire klok dichterbij – Physics World

Een nucleaire klok op basis van thorium-229 is een stap dichterbij nu onderzoekers in Duitsland en Oostenrijk hebben aangetoond dat ze kernen van de isotoop in een laaggelegen metastabiele toestand kunnen brengen.

De uitzonderlijk lage excitatie-energie van 8 eV komt overeen met licht in het vacuüm-ultraviolet, dat kan worden gegenereerd door een laser. Als gevolg hiervan zou de overgang kunnen worden gebruikt om een ​​nauwkeurige klok te creëren. Zo'n nucleaire klok zou in principe stabieler zijn dan bestaande atoomklokken omdat deze veel minder gevoelig zou zijn voor omgevingsgeluid. Een nucleaire klok zou ook praktischer kunnen zijn, omdat deze, in tegenstelling tot een atoomklok, een volledig solid-state apparaat zou kunnen zijn.

Deze hoge nauwkeurigheid en stabiliteit maakt het echter moeilijk om deze overgang waar te nemen en te prikkelen, omdat het betrokken licht een zeer smalle bandbreedte heeft en moeilijk te vinden kan zijn. Het was pas vorig jaar dat onderzoekers van CERN de eerste directe meting van fotonen uit de transitie, terwijl de bestaan ​​van de transitie werd bevestigd in 2016.

Goedkopere laser

Thorium-229 is niet de enige kernen die worden onderzocht voor gebruik in een nucleaire klok. Werken aan scandium-45 is verder gevorderd, maar deze kern heeft een overgangsenergie van 12.4 keV. Dit betekent dat het moet worden gecombineerd met een röntgenlaser om een ​​klok te creëren – en dergelijke lasers zijn groot en duur.

Het nieuwe onderzoek werd uitgevoerd door een samenwerking van natuurkundigen van het Federale Fysische en Technische Instituut in Braunschweig, Duitsland, en de Technische Universiteit van Wenen in Oostenrijk. Eén van de teamleden wel Ekkehard Peik, die twintig jaar geleden op het idee van een nucleaire klok kwam.

Nucleaire en atoomklokken werken vrijwel op dezelfde manier. De betreffende overgang wordt geëxciteerd door een laser (of maser) en het uitgezonden licht wordt naar een feedbackcontrolemechanisme gestuurd dat de frequentie van de laser vergrendelt op de frequentie van de overgang. De extreem stabiele frequentie van het laserlicht is de output van de klok.

De eerste klokken (en de huidige internationale tijdstandaard) gebruiken microgolven en cesiumatomen, terwijl de beste klokken van vandaag (optische klokken genoemd) licht en atomen gebruiken, waaronder strontium en ytterbium. Optische atoomklokken zijn zo betrouwbaar dat ze zelfs na miljarden jaren slechts een paar milliseconden afwijken.

Kleiner is beter

Een groot deel van deze prestatie is te danken aan de manier waarop de atomen worden opgesloten en beschermd tegen elektromagnetische ruis – wat een aanzienlijke experimentele uitdaging is. De kernen zijn daarentegen veel kleiner dan atomen, wat betekent dat ze veel minder interactie hebben met elektromagnetische ruis. In plaats van in een val te worden geïsoleerd, zouden klokkernen in een vast materiaal kunnen worden ingebed. Dit zou het klokontwerp aanzienlijk vereenvoudigen.

In hun experiment doteerden de Oostenrijkse en Duitse natuurkundigen calciumfluoridekristallen met thorium-229-kernen, die ze verkregen uit een nucleair ontwapeningsprogramma in de VS. De met thorium gedoteerde kristallen hadden een doorsnede van slechts enkele millimeters. Vervolgens gebruikten ze een tafellaser om het thorium-229 tot de gewenste energiezuinige nucleaire toestand te brengen. Deze excitatie werd bevestigd met behulp van een techniek die resonantiefluorescentie wordt genoemd en waarbij de fotonen worden gedetecteerd die worden uitgezonden wanneer de aangeslagen kernen terugvallen naar de grondtoestand.

“Dit onderzoek is een zeer belangrijke stap in de ontwikkeling van een nucleaire klok”, zegt Piet Van Duppen van de KU Leuven in België, die werkt aan nucleaire klokken. “Het bewijst dat deze ontwikkeling technisch mogelijk is, ook voor solid-state klokken. We gingen ervan uit dat laserexcitatie van de nucleaire transitie detecteerbaar zou zijn in optische vallen, maar tot nu toe waren er twijfels of dit ook het geval was in vastestofkristallen.”

Potentiële toepassingen voor nucleaire klokken van de toekomst liggen voornamelijk in de detectie van kleine tijdsvariaties die zouden kunnen wijzen op nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel. Dit kunnen variaties in de fundamentele krachten en constanten omvatten. In het bijzonder zouden de klokken nieuwe natuurkunde kunnen onthullen door te zoeken naar variaties in de kernkracht, die kernen samenbindt en uiteindelijk de klokfrequentie definieert. Als gevolg hiervan zouden kernklokken licht kunnen werpen op enkele van de grote mysteries in de natuurkunde, zoals de aard van donkere materie,

De klokken kunnen ook worden gebruikt om de tijdsdilatatie te meten als gevolg van verschillen in de zwaartekracht van de aarde. Dit zou kunnen worden gedaan met behulp van miniatuur- en zeer mobiele nucleaire klokken op chips die gemakkelijk naar verschillende locaties kunnen worden verplaatst. Dit zou erg handig zijn voor het doen van geodesie en geologische studies.

Een artikel waarin het onderzoek wordt beschreven is geaccepteerd voor publicatie in Fysieke beoordelingsbrieven.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/