Ученые приблизились к созданию первых ядерных часов
Радионуклид торий-229 представляет собой изомер с исключительно низкой энергией возбуждения, что позволяет осуществлять прямое лазерное манипулирование ядерными состояниями. Он является одним из основных кандидатов на использование в оптических часах следующего поколения.
Высокоточные измерения времени могут предоставить новый способ изучения Вселенной путем проверки как квантовой механики, так и теории относительности. В последние несколько лет оптические часы бьют рекорд за рекордом, но есть способ добиться еще большей точности — создать ядерные часы. Теперь новые измерения, которые годами ускользали от физиков, приблизили ученых к их созданию.
В то время как атомные часы измеряют переходы возбужденных электронов внутри атома для измерения времени, ядерные часы отслеживают такие переходы в атомном ядре.
Это имеет несколько преимуществ. Ядро намного меньше атома, поэтому оно менее восприимчиво к внешним воздействиям, которые могут повлиять на число колебаний. Лучшие оптические атомные часы имеют точность 10 −18 , поэтому их погрешность составляет 1 секунду каждые 30 миллиардов лет. Ядерные часы были бы как минимум в 10 раз точнее.
Так почему ядерные часы до сих пор не были созданы? Ответ в том, что для большинства атомов ядерные переходы требуют больше энергии, чем переходы, которые вы получаете с электронами. С нашим нынешним знанием и технологиями есть только один возможный рабочий элемент: торий-229.
Возбуждение этого ядра до его первого высокоэнергетического состояния (также известного как его изомер) не требует много энергии. Когда изомер возвращается в свое основное состояние, он испускает фотон — процесс, известный как радиационный распад. Этот фотон является ключом к установке ядерных часов, но ранее исследователи не могли измерить этот распад — до сих пор.
Теперь команда ученых под руководством Сандро Кремера из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана в Германии измерила фотоны в ультрафиолете с длиной волны 148 нанометров и энергией перехода 8,338 электронвольт.
Типичные энергии в сотни, если не в тысячи раз выше. Это самое точное измерение энергии изомера, улучшающее теоретическую картину ядерных часов.
«Нам, наконец, удалось наблюдать четкую сигнатуру радиационного распада ядерного изомера тория-229 в наших экспериментах», — говорится в заявлении исследователей.
«В результате нам удалось измерить энергию его возбуждения с точностью, в семь раз превышающей предыдущие результаты. И на основе наших измерений мы даже смогли оценить период полураспада радиационного перехода, который, по нашим оценкам, составляет около 10 минут».
Физики использовали установку ISOLDE в ЦЕРНе. Там имплантированные в кристалл атомы актиния-229 распадались и превращались в торий-229. Используя метод вакуумной ультрафиолетовой спектроскопии, они смогли определить свойства этого элемента с высочайшей точностью.
«ISOLDE в настоящее время является одним из двух объектов в мире, которые могут производить изотопы актиния-229», — отметил Сандро Кремер. «Включив эти изотопы в кристаллы фторида кальция или фторида магния, мы произвели намного больше изомерных ядер тория-229 и увеличили наши шансы наблюдать их радиационный распад».
Радионуклид торий-299, заключенный в кристалл фтористого магния, уже рассматривался как потенциальная установка для ядерных часов. Новое исследование показывает, что, хотя требуется еще дополнительная работа, ученые находятся на верном пути.
Результаты были опубликованы в журнале Nature.