Долгожданный прорыв: лазер возбуждает атомные ядра для прецизионных измерений
Хотя мы не можем этого видеть, мы живем в квантованном мире, где свет, освещающий наши дни, состоит из крошечных пакетов энергии, а атомы, составляющие материю, аналогичным образом разделены на дискретные энергетические полосы.
Как монеты в игровом автомате, падение правильных квантов света на атом может привести к тому, что его электроны перейдут в квантовые состояния более высоких энергетических диапазонов. И когда они снова опускаются вниз, эти световые «монеты» могут быть возвращены.
Теперь исследователи из Австрии и Германии достигли многолетней цели — использовать лазеры для возбуждения изотопа тория, а не его электроны, а тесно связанный пучок протонов и нейтронов, составляющий самое его ядро.
С толчком энергии, точно соответствующим зазору между двумя квантовыми состояниями ядер, ядра тория-229 были вынуждены «прыгать» ‘ точно так же, как это могут делать электроны, целые атомы и молекулы.
«Обычно атомными ядрами невозможно манипулировать с помощью лазеров. Энергии фотонов просто недостаточно», — объясняет физик Торстен Шумм из Венского университета. Технологии.
Переход атомных ядер из одного квантового состояния в другое требует как минимум в тысячу раз больше энергии, чем электронам, совершающим прыжок между орбитальными оболочками, продолжает Шумм. Исследователям также необходимо было точно знать, что представляет собой эта энергетическая щель, чтобы они могли точно настроить свои лазеры.
Торий-229 был выбран в качестве мишени, потому что его ядро имеет два очень близко расположенных друг к другу энергетических состояния, которые Шумм и его сотрудники из Национального метрологического института Германии (PTB) полагали – как и многие учёные до них – могли бы открыть знаменитый «ториевый переход».
Учёные пытаются точно измерить этот энергетический разрыв с 1970-х годов. когда эксперименты по распаду впервые выявили близость двух энергетических состояний тория-229.
На протяжении десятилетий разные группы постоянно уточняли свои оценки: с менее чем 100 электрон-вольт до примерно 8. Это количество энергии высвобождается (в виде излучения), когда ядро тория переходит из одного энергетического состояния в другое.
Но эти измерения не были достаточно точными, чтобы обнаружить разницу энергий (это переход тория) и, таким образом, узнать точный энергетический импульс , или «размер монеты», необходимый для перемещения ядер между двумя состояниями.
Фактически, поскольку переход тория очень трудно наблюдать, его существование было подтверждено только в 2016 году и непосредственно измерено (а не выведено). впервые в прошлом году.
«Чтобы обнаружить переход, необходимо определить нужную энергию с точностью до одной миллионной электронвольта», — говорит Шумм.
Чтобы увеличить свои шансы найти точный переход тория, команда Шумма создала кристаллы, содержащие триллионы атомов тория, вместо того, чтобы помещать отдельные атомы тория в электромагнитные ловушки и уничтожать их по отдельности, как это делали многие предыдущие команды.
Кристаллы должны были быть полностью прозрачными, чтобы лазер воздействовал только на встроенные атомы тория, и иметь размер всего несколько миллиметров, чтобы минимизировать любые помехи.
В ноябре 2023 года они наконец его нашли: Четкий сигнал из их экспериментов позволил им значительно улучшить измерение перехода тория — 8,355743 ± 0,000003 электрон-вольта.
Будучи частью энергий перехода других атомных ядер, которые изучали исследователи, команда Шумма смогла использовать настольные лазеры, а не высокоэнергетическое рентгеновское излучение синхротрона, чтобы перевести ядра тория-229 из низколежащего основного состояния в немного более высокое метастабильное состояние.
Долгожданное событие прорыв показывает, что атомы тория-229, внедренные в твердые кристаллы, действительно могут быть использованы для создания ядерных часов, которые будут гораздо более стабильными, точными и практичными, чем существующие атомные часы.
«Наш метод измерения — это всего лишь начало», — говорит Шумм о потенциальных приложениях своей работы, включая сверхточные измерения времени и гравитации. «Мы пока не можем предсказать, каких результатов мы достигнем с его помощью. Это, безусловно, будет очень интересно».
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
