Naukowcy opracowują wysoce precyzyjne zegary nuklearne w oparciu o 229Izotop ten ma potencjalne zastosowania wykraczające poza konwencjonalne pomiary czasu, takie jak czujniki grawitacyjne i GPS technologia.
Niedawne eksperymenty wykazały kontrolę nad rozpadem stanu izomerycznego, oferując wgląd w stałe fizyczne i tajemnice wszechświata, takie jak ciemna energia.
Zegary atomowe i nuklearne
Zegary atomowe, znane z precyzyjnego pomiaru „sekund” – najmniejszej standardowej jednostki czasu – opierają się na naturalnych oscylacjach elektronów w atomach, podobnie jak mechanika wahadła w tradycyjnych zegarach dziadka. Dążenie do jeszcze większego dokładność pobudziło rozwój zegarów nuklearnych, które wykorzystują przejścia jąder atomowych do śledzenia czasu dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej.
Postęp w technologii zegarów jądrowych
Rosnącym pretendentem do opracowania ultraprecyzyjnych nuklearnych zegarów optycznych jest stan pierwszego wzbudzenia jądrowego 229Ten izotop. Jego długi okres półtrwania wynoszący 103 sekund i niska energia wzbudzenia wynosząca kilka elektronowoltów sprawiają, że idealnie nadaje się do wzbudzania laserami VUV, zapewniając precyzyjne przejście referencyjne dla zegarów jądrowych. Poza tym zegary nuklearne mogą być również stosowane w kompaktowych urządzeniach metrologicznych na półprzewodniku i w podstawowych badaniach fizycznych.
Aby zbadać potencjalne zastosowanie 229Izomer ten wymaga szczegółowego zrozumienia jego podstawowych właściwości, takich jak energia izomeru, okres półtrwania oraz dynamika wzbudzenia i zaniku.
Eksperymentalne prace nad zegarami nuklearnymi
Pracując w tym kierunku, adiunkt Takahiro Hiraki z Uniwersytetu Okama w Japonii i jego zespół, w skład którego wchodzą Akihiro Yoshimi i Koji Yoshimura, opracowali układ eksperymentalny umożliwiający skuteczną ocenę populacji 229Ten stan izomeryczny i wykrywanie jego rozpadu radiacyjnego. W ich niedawnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Komunikacja przyrodniczazsyntetyzowali 229Przezroczysty CaF z domieszką Th2 kryształy i zademonstrowali swoją zdolność do kontrolowania 229Populacja stanu izomerycznego przy użyciu promieni rentgenowskich.
„Nasza grupa pracuje nad podstawami fizyki przy użyciu atomów i laserów. Aby zrealizować półprzewodnikowy zegar nuklearny za pomocą 229Konieczne jest zatem kontrolowanie stanu wzbudzenia i odwzbudzenia jądra. W tym badaniu z powodzeniem kontrolowaliśmy stany jądrowe za pomocą promieni rentgenowskich, co przybliżyło nas o krok do zbudowania zegara nuklearnego” – stwierdził adiunkt Hiraki, wyjaśniając motywację swoich badań.
Aby zbadać rozpad radiacyjny (odwzbudzenie), zespół stworzył wzbudzenie ze stanu podstawowego 229Jądro do stanu izomerycznego, poprzez drugi stan wzbudzony przy użyciu rezonansowej wiązki promieniowania rentgenowskiego. Ustalili, że na dopingu 229Jądro uległo radiacyjnemu rozpadowi z powrotem do stanu podstawowego, wraz z emisją VUV foton.
Potencjalne zastosowania i przyszłe implikacje
Jednym z kluczowych odkryć był szybki zanik stanu izomeru pod wpływem napromieniowania wiązką promieni rentgenowskich oraz efekt „wygaszenia promieni rentgenowskich”, który umożliwił wyludnienie izomeru na żądanie. Naukowcy uważają, że to kontrolowane wygaszanie może przyspieszyć rozwój zegara jądrowego, a także inne potencjalne zastosowania, takie jak przenośne czujniki grawitacyjne i bardziej precyzyjne systemy GPS.
Podkreślając potencjał nuklearnych zegarów optycznych, adiunkt Hiraki mówi: „Kiedy prace nad zegarem jądrowym zostaną ukończone, będziemy mogli sprawdzić, czy „stałe fizyczne”, zwłaszcza stałe drobnej struktury, które wcześniej uważano za niezmienne, mogą się zmieniać nadgodziny. Jeśli zaobserwuje się zmienność w czasie stałych fizycznych, może to doprowadzić do wyjaśnienia ciemnej energii, jednej z największych tajemnic wszechświata.
Odniesienie: „Kontrolowanie populacji stanu izomerycznego 229Th w przezroczystym krysztale VUV” autorstwa Takahiro Hiraki, Koichi Okai, Michael Bartokos, Kjeld Beeks, Hiroyuki Fujimoto, Yuta Fukunaga, Hiromitsu Haba, Yoshitaka Kasamatsu, Shinji Kitao, Adrian Leitner, Takahiko Masuda, Ming Guan , Nobumoto Nagasawa, Ryoichiro Ogake, Martin Pimon, Martin Pressler, Noboru Sasao, Fabian Schaden, Thorsten Schumm, Makoto Seto, Yudai Shigekawa, Kotaro Shimizu, Tomas Sikorsky, Kenji Tamasaku, Sayuri Takatori, Tsukasa Watanabe, Atsushi Yamaguchi, Yoshitaka Yoda, Akihiro Yoshimi i Koji Yoshimura, 16 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49631-0
