Vzbujanje torija-229 približa delujočo jedrsko uro – Svet fizike

Jedrska ura, ki temelji na toriju-229, je zdaj korak bližje, ko so raziskovalci v Nemčiji in Avstriji pokazali, da lahko jedra izotopa postavijo v nizko ležeče metastabilno stanje.

Izjemno nizka energija vzbujanja 8 eV ustreza svetlobi v vakuumskem ultravijoličnem sevanju, ki jo lahko ustvari laser. Posledično bi lahko prehod uporabili za ustvarjanje natančne ure. Takšna jedrska ura bi bila načeloma stabilnejša od obstoječih atomskih ur, ker bi bila veliko manj dovzetna za okoljski hrup. Jedrska ura bi lahko bila tudi bolj praktična, saj bi bila za razliko od atomske ure lahko povsem polprevodniška naprava.

Vendar pa ta visoka natančnost in stabilnost otežuje opazovanje in vzbujanje tega prehoda, ker ima vpletena svetloba zelo ozko pasovno širino in jo je težko najti. Šele lani so raziskovalci v CERN-u naredili prva direktna meritev fotonov iz prehoda, medtem ko je obstoj prehoda je bil potrjen leta 2016.

Laser z nižjo ceno

Torij-229 ni edino jedro, ki se raziskuje za uporabo v jedrski uri. Delati na skandij-45 je še naprednejši, vendar ima to jedro prehodno energijo 12.4 keV. To pomeni, da bi ga bilo treba povezati z rentgenskim laserjem, da bi ustvarili uro - in takšni laserji so veliki in dragi.

Novo raziskavo so izvedli v sodelovanju fizikov z Zveznega fizikalnega in tehničnega inštituta v Braunschweigu v Nemčiji in Dunajske tehnološke univerze v Avstriji. Eden od članov ekipe je Ekkehard Peik, ki se je pred 20 leti domislil jedrske ure.

Jedrska in atomska ura delujeta približno enako. Prehod, ki nas zanima, vzbudi laser (ali maser) in oddana svetloba se pošlje mehanizmu za krmiljenje povratnih informacij, ki zaklene frekvenco laserja na frekvenco prehoda. Izjemno stabilna frekvenca laserske svetlobe je izhod ure.

Prve ure (in sedanji mednarodni časovni standard) uporabljajo mikrovalovne pečice in atome cezija, medtem ko najboljše ure danes (imenovane optične ure) uporabljajo svetlobo in atome, vključno s stroncijem in iterbijem. Optične atomske ure so tako zanesljive, da bi celo po milijardah let izginile le za nekaj milisekund.

Manjši je boljši

Velik del te uspešnosti je odvisen od tega, kako so atomi ujeti in zaščiteni pred elektromagnetnim šumom – kar je pomemben eksperimentalni izziv. Nasprotno pa so jedra veliko manjša od atomov, kar pomeni, da imajo veliko manj interakcij z elektromagnetnim šumom. Dejansko bi lahko jedra ure namesto v izolacijo v past vgradili v trden material. To bi močno poenostavilo načrtovanje ure.

V svojem poskusu so avstrijski in nemški fiziki dopirali kristale kalcijevega fluorida z jedri torija-229, ki so jih dobili iz programa jedrske razorožitve v ZDA. S torijem dopirani kristali so bili le nekaj milimetrov v premeru. Nato so uporabili namizni laser za vzbujanje torija-229 v želeno nizkoenergijsko jedrsko stanje. To vzbujanje je bilo potrjeno s tehniko, imenovano resonančna fluorescenca, ki vključuje zaznavanje fotonov, ki se oddajajo, ko vzbujena jedra razpadejo nazaj v osnovno stanje.

"Ta raziskava je zelo pomemben korak v razvoju jedrske ure," pravi Piet Van Duppen iz KU Leuven v Belgiji, ki se ukvarja z jedrskimi urami. »To dokazuje, da je ta razvoj tehnično izvedljiv, tudi za polprevodniške ure. Domnevali smo, da bi bilo lasersko vzbujanje jedrskega prehoda mogoče zaznati v optičnih pasteh, vendar so do zdaj obstajali dvomi, ali je to veljalo tudi za kristale v trdnem stanju.

Potencialne aplikacije za jedrske ure prihodnosti so predvsem v odkrivanju majhnih časovnih variacij, ki bi lahko kazale na novo fiziko onkraj standardnega modela. To lahko vključuje variacije osnovnih sil in konstant. Zlasti bi lahko ure razkrile novo fiziko z iskanjem variacij v jedrski sili, ki povezuje jedra skupaj in na koncu določa frekvenco ure. Posledično bi jedrske ure lahko osvetlile nekatere velike skrivnosti v fiziki, kot je narava temne snovi,

Ure bi lahko uporabili tudi za merjenje dilatacije časa zaradi razlik v gravitacijski sili Zemlje. To bi lahko naredili z uporabo miniaturnih in zelo mobilnih jedrskih ur na čipih, ki bi jih bilo mogoče preprosto premikati na različne lokacije. To bi bilo zelo uporabno za geodezijo in geološke študije.

Prispevek, ki opisuje raziskavo je bil sprejet v objavo v Physical Review Letters.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/