Возбуждение тория-229 приближает работающие ядерные часы

Ядерные часы на основе тория-229 стали на шаг ближе теперь, когда исследователи из Германии и Австрии показали, что они могут переводить ядра этого изотопа в низколежащее метастабильное состояние.

Исключительно низкая энергия возбуждения 8 эВ соответствует свету в вакуумном ультрафиолете, который может генерироваться лазером. В результате переход можно было использовать для создания точных часов. Такие ядерные часы, в принципе, были бы более стабильными, чем существующие атомные часы, поскольку они были бы гораздо менее восприимчивы к шуму окружающей среды. Ядерные часы также могут быть более практичными, поскольку в отличие от атомных часов они могут быть полностью твердотельным устройством.

Однако такая высокая точность и стабильность затрудняет наблюдение и возбуждение этого перехода, поскольку используемый свет имеет очень узкую полосу пропускания и его трудно обнаружить. Действительно, только в прошлом году исследователи из ЦЕРН сделали первое прямое измерение фотонов от перехода, тогда как существование перехода было подтверждено в 2016 году.

Более дешевый лазер

Торий-229 — не единственное ядро, которое исследуется для использования в ядерных часах. Работа над скандий-45 является более продвинутым, но это ядро ​​имеет энергию перехода 12.4 кэВ. Это означает, что для создания часов его придется объединить с рентгеновским лазером, а такие лазеры большие и дорогие.

Новое исследование было проведено в сотрудничестве с физиками из Федерального физико-технического института в Брауншвейге, Германия, и Венского технологического университета в Австрии. Один из членов команды — Эккехард Пейк, который придумал идею ядерных часов 20 лет назад.

Ядерные и атомные часы работают примерно одинаково. Интересующий переход возбуждается лазером (или мазером), и излучаемый свет направляется в механизм управления с обратной связью, который фиксирует частоту лазера на частоте перехода. Чрезвычайно стабильная частота лазерного света является результатом работы часов.

Первые часы (и нынешний международный стандарт времени) используют микроволны и атомы цезия, тогда как лучшие современные часы (называемые оптическими часами) используют свет и атомы, включая стронций и иттербий. Оптические атомные часы настолько надежны, что даже через миллиарды лет их отклонение будет всего на несколько миллисекунд.

Меньше - лучше

Большая часть этих результатов зависит от того, как атомы улавливаются и защищаются от электромагнитного шума, что является серьезной экспериментальной проблемой. Напротив, ядра намного меньше атомов, а это означает, что они гораздо меньше взаимодействуют с электромагнитным шумом. Действительно, вместо того, чтобы быть изолированными в ловушке, часовые ядра можно было бы внедрить в твердый материал. Это значительно упростило бы конструкцию часов.

В своем эксперименте австрийские и немецкие физики легировали кристаллы фторида кальция ядрами тория-229, которые они получили в рамках программы ядерного разоружения в США. Кристаллы, легированные торием, имели диаметр всего несколько миллиметров. Затем они использовали настольный лазер, чтобы перевести торий-229 в желаемое низкоэнергетическое ядерное состояние. Это возбуждение было подтверждено с помощью метода, называемого резонансной флуоресценцией, который включает в себя обнаружение фотонов, испускаемых при распаде возбужденных ядер обратно в основное состояние.

«Это исследование — очень важный шаг в разработке ядерных часов», — говорит Пит Ван Дюппен из Левенского университета в Бельгии, который работает над ядерными часами. «Это доказывает, что такая разработка технически возможна, в том числе и для твердотельных часов. Мы предполагали, что лазерное возбуждение ядерного перехода можно будет обнаружить в оптических ловушках, но до сих пор были сомнения, что это имеет место и в твердотельных кристаллах».

Потенциальное применение ядерных часов будущего заключается главным образом в обнаружении крошечных изменений времени, которые могут указывать на новую физику за пределами Стандартной модели. Это может включать в себя изменения фундаментальных сил и констант. В частности, часы могли бы раскрыть новую физику, исследуя изменения в ядерной силе, которая связывает ядра вместе и в конечном итоге определяет тактовую частоту. В результате ядерные часы могут пролить свет на некоторые большие загадки физики, такие как природа темной материи.

Часы также можно использовать для измерения замедления времени из-за различий в гравитационном притяжении Земли. Это можно было бы сделать с помощью миниатюрных и очень мобильных ядерных часов на чипах, которые можно было бы легко перемещать в разные места. Это было бы очень полезно для проведения геодезических и геологических исследований.

Статья с описанием исследования был принят к публикации в Письма о физическом обзоре.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/