Wzbudzenie toru-229 przybliża działający zegar nuklearny – Świat Fizyki

Zegar nuklearny oparty na torze-229 jest o krok bliżej teraz, gdy naukowcy z Niemiec i Austrii wykazali, że potrafią wprowadzić jądra izotopu w nisko położony stan metastabilny.

Wyjątkowo niska energia wzbudzenia wynosząca 8 eV odpowiada światłu w ultrafiolecie próżniowym, które może być generowane przez laser. W rezultacie przejście można wykorzystać do stworzenia dokładnego zegara. Taki zegar nuklearny byłby w zasadzie stabilniejszy od istniejących zegarów atomowych, ponieważ byłby znacznie mniej podatny na zakłócenia otoczenia. Zegar nuklearny mógłby być również bardziej praktyczny, ponieważ w przeciwieństwie do zegara atomowego mógłby być urządzeniem całkowicie półprzewodnikowym.

Jednakże ta wysoka dokładność i stabilność utrudnia obserwację i wzbudzenie tego przejścia, ponieważ zaangażowane światło ma bardzo wąską szerokość pasma i może być trudne do znalezienia. Rzeczywiście, dopiero w zeszłym roku badacze z CERN dokonali tego pierwszy bezpośredni pomiar fotonów z przejścia, natomiast istnienie przejścia zostało potwierdzone w 2016 roku.

Tańszy laser

Tor-229 nie jest jedynym jądrem, które jest badane pod kątem wykorzystania w zegarze nuklearnym. Pracować nad skand-45 jest dalej zaawansowany, ale to jądro ma energię przejściową 12.4 keV. Oznacza to, że do stworzenia zegara trzeba by go połączyć z laserem rentgenowskim – a takie lasery są duże i drogie.

Nowe badania przeprowadzono we współpracy fizyków z Federalnego Instytutu Fizyczno-Technicznego w Brunszwiku w Niemczech i Politechniki Wiedeńskiej w Austrii. Jednym z członków zespołu jest Ekkeharda Peika, który wpadł na pomysł zegara nuklearnego 20 lat temu.

Zegary nuklearne i atomowe działają w podobny sposób. Przejście będące przedmiotem zainteresowania jest wzbudzane przez laser (lub maser), a emitowane światło jest wysyłane do mechanizmu kontroli ze sprzężeniem zwrotnym, który blokuje częstotliwość lasera z częstotliwością przejścia. Wyjątkowo stabilna częstotliwość światła laserowego jest sygnałem wyjściowym zegara.

Pierwsze zegary (i obecny międzynarodowy standard czasu) wykorzystują mikrofale i atomy cezu, podczas gdy najlepsze dzisiejsze zegary (zwane zegarami optycznymi) wykorzystują światło i atomy, w tym stront i iterb. Optyczne zegary atomowe są tak niezawodne, że nawet po miliardach lat przestają działać o zaledwie kilka milisekund.

Mniejsze jest lepsze

Osiągi te w dużej mierze wynikają ze sposobu, w jaki atomy są uwięzione i ekranowane przed szumem elektromagnetycznym, co stanowi poważne wyzwanie eksperymentalne. Natomiast jądra są znacznie mniejsze od atomów, co oznacza, że ​​mają znacznie mniej interakcji z szumem elektromagnetycznym. Rzeczywiście, zamiast izolować w pułapce, jądra zegara można osadzić w stałym materiale. To znacznie uprościłoby konstrukcję zegara.

W swoim eksperymencie austriaccy i niemieccy fizycy domieszkowali kryształy fluorku wapnia jądrami toru-229, które uzyskali w ramach programu rozbrojenia nuklearnego w USA. Kryształy domieszkowane torem miały średnicę zaledwie kilku milimetrów. Następnie za pomocą lasera stołowego wzbudzili tor-229 do pożądanego stanu jądrowego o niskiej energii. Wzbudzenie to potwierdzono za pomocą techniki zwanej fluorescencją rezonansową, która polega na wykrywaniu fotonów emitowanych, gdy wzbudzone jądra rozpadają się z powrotem do stanu podstawowego.

„Te badania są bardzo ważnym krokiem w rozwoju zegara nuklearnego” – mówi Pieta Van Duppena z KU Leuven w Belgii, który pracuje nad zegarami nuklearnymi. „To dowodzi, że taki rozwój jest technicznie możliwy, także w przypadku zegarów półprzewodnikowych. Zakładaliśmy, że laserowe wzbudzenie przejścia jądrowego będzie wykrywalne w pułapkach optycznych, ale do tej pory istniały wątpliwości, czy dzieje się tak również w kryształach ciała stałego”.

Potencjalne zastosowania zegarów nuklearnych przyszłości polegają głównie na wykrywaniu drobnych zmian czasu, które mogą wskazywać na nową fizykę wykraczającą poza Model Standardowy. Może to obejmować zmiany podstawowych sił i stałych. W szczególności zegary mogłyby odkryć nową fizykę, szukając zmian w sile jądrowej, która wiąże jądra razem i ostatecznie określa częstotliwość zegara. W rezultacie zegary nuklearne mogą rzucić światło na niektóre z wielkich tajemnic fizyki, takich jak natura ciemnej materii,

Zegary można również wykorzystać do pomiaru dylatacji czasu spowodowanej różnicami w przyciąganiu grawitacyjnym Ziemi. Można tego dokonać za pomocą miniaturowych i wysoce mobilnych zegarów nuklearnych na chipach, które można łatwo przenosić w różne lokalizacje. Byłoby to bardzo przydatne przy wykonywaniu badań geodezyjnych i geologicznych.

Artykuł opisujący badania został przyjęty do publikacji w Fizyczne listy kontrolne.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/