Naukowcy opracowują zegary nuklearne, wykorzystując cienkie warstwy tetrafluorku toru, które mogą zrewolucjonizować precyzyjne mierzenie czasu, ponieważ będą mniej radioaktywne i tańsze niż poprzednie modele.
Ta nowa technologia, której pionierem jest wspólny zespół badawczy, umożliwia stworzenie bardziej dostępnych i skalowalnych zegarów nuklearnych, które wkrótce mogą wyjść poza warunki laboratoryjne i znaleźć zastosowania praktyczne, takie jak telekomunikacja i nawigacja.
Przełom w technologii zegarów nuklearnych
Naukowcy poszukujący ultraprecyzyjnego pomiaru czasu zwrócili się w stronę zegarów nuklearnych. W przeciwieństwie do optycznych zegarów atomowych, które opierają się na przejściach elektronowych, zegary nuklearne mierzą przejścia energii w ciągu atomjądro. Siły zewnętrzne w znacznie mniejszym stopniu wpływają na te przemiany nuklearne, oferując niezrównany potencjał dokładność w mierzeniu czasu.
Jednak zbudowanie takich zegarów było wyzwaniem. Tor-229, kluczowy izotop dla zegarów nuklearnych, jest rzadkim, radioaktywnym i zbyt drogim izotopem w tradycyjnie wymaganych dużych ilościach.
W nowym badaniu opublikowanym dzisiaj (18 grudnia) w Naturazespół badawczy kierowany przez JILA i członka NIST Jun Ye, profesora fizyki na Uniwersytecie Colorado Boulder, wraz z zespołem profesora Erica Hudsona z Uniwersytet KalifornijskiWydział Fizyki i Astronomii opracował przełomową metodę. Stworzyli cienkie warstwy tetrafluorku toru (ThF₄), dzięki czemu zegary nuklearne są tysiąc razy mniej radioaktywne i znacznie tańsze.
Pomyślne zastosowanie cienkich warstw oznacza potencjalny punkt zwrotny w rozwoju zegarów nuklearnych. Stosowanie technologii cienkowarstwowej w zegarach nuklearnych jest współmierne półprzewodniki i fotoniczne układy scalone, co sugeruje, że przyszłe zegary nuklearne mogłyby być bardziej dostępne i skalowalne.
„Kluczową zaletą zegarów nuklearnych jest ich przenośność. Aby w pełni uwolnić tak atrakcyjny potencjał, musimy uczynić systemy bardziej kompaktowymi, tańszymi i bardziej przyjaznymi dla użytkowników przed promieniowaniem” – powiedział Ye.
Koszty zegarmistrzostwa nuklearnego
JILA od dziesięcioleci przoduje w badaniach nad zegarami atomowymi i optycznymi, a laboratorium Ye wniosło pionierski wkład w rozwój koncepcji, projektowania i wdrażania zegarów optycznych, które wyznaczają nowe standardy w precyzyjnym pomiarze czasu.
Fizycy próbowali zaobserwować transformacja energetyczna toru-229 przez prawie 50 lat. We wrześniu 2024 r. badacze z laboratorium Ye ogłosili pierwsze widmo przejścia jądrowego o wysokiej rozdzielczości i określili częstotliwość bezwzględną na podstawie zegara sieci optycznej JILA Sr. Ich wynik został opublikowany jako artykuł na okładce w Natura.
Aby zbudować zegar nuklearny, zespół pracował z radioaktywnymi kryształami toru-229, współpracując z naukowcami z Uniwersytetu Wiedeńskiego.
„Wyhodowanie takiego kryształu jest sztuką samą w sobie, a nasi współpracownicy w Wiedniu poświęcili wiele lat na wyhodowanie ładnego monokryształu do tego pomiaru” – wyjaśnia Chuankun Zhang, absolwent JILA i pierwszy autor obu książek Natura studia.
Poprzednie podejścia wykorzystujące kryształy domieszkowane torem wymagały większej ilości materiału radioaktywnego. Ponieważ tor-229 jest często pozyskiwany z uranu w wyniku rozpadu jądrowego, prowadzi to do dodatkowych kwestii związanych z bezpieczeństwem radiacyjnym i kosztami.
„Tor-229 jest wagowo droższy niż niektóre niestandardowe białka, z którymi pracowałem w przeszłości” – dodaje Jake Higgins, badacz z tytułem doktora w JILA, również zaangażowany w ten projekt, „więc musieliśmy sprawić, by to zadziałało przy użyciu jak najmniejszej ilości materiału jak to możliwe.” Naukowcy ściśle współpracowali z działem BHP CU Boulder, aby bezpiecznie zbudować i zbadać zegar nuklearny.
Podczas gdy zespół obserwował przemiany jądrowe w kryształach domieszkowanych torem, jednocześnie poszukiwał metod uczynienia zegara bezpieczniejszym i bardziej opłacalnym poprzez opracowanie cienkowarstwowych powłok zmniejszających ilość potrzebnego radioaktywnego toru.
Waporyzacja toru
Aby wytworzyć cienkie warstwy, badacze zastosowali proces zwany fizycznym osadzaniem z fazy gazowej (PVD), który polegał na ogrzewaniu fluorku toru w komorze aż do jego odparowania. Odparowane atomy następnie skondensowały się na podłożu, tworząc cienką, równą warstwę fluorku toru o grubości około 100 nanometrów. Jako substraty badacze wybrali szafir i fluorek magnezu ze względu na ich przezroczystość dla światła ultrafioletowego wykorzystywanego do wzbudzania przemiany jądrowej.
„Jeśli mamy podłoże bardzo blisko, odparowane cząsteczki fluorku toru dotykają podłoża i przylegają do niego, tworząc ładną, równą cienką warstwę” – mówi Zhang.
W tej metodzie wykorzystano zaledwie mikrogramy toru-229, dzięki czemu produkt był tysiąc razy mniej radioaktywny, a jednocześnie wytwarzał gęstą warstwę aktywnych jąder toru. Współpracując z laboratorium JILA Keck Metrology i producentem instrumentów JILA Kim Hagenem, naukowcy niezawodnie odtworzyli filmy, które można było przetestować pod kątem potencjalnych przejść jądrowych za pomocą lasera.
Potencjał i wyzwania cienkowarstwowych zegarów jądrowych
Zespół stanął jednak przed nowym wyzwaniem. W przeciwieństwie do kryształu, w którym każdy atom toru znajdował się w uporządkowanym środowisku, cienkie warstwy powodowały zmiany w środowiskach toru, zmieniając przejścia energetyczne i czyniąc je mniej spójnymi.
Doktorant JILA, Jack Doyle, który również był zaangażowany w to badanie, wyjaśnia: „Krążyły pogłoski, że Wolfgang Pauli powiedział, że „Bóg wymyślił masę i powierzchnię od diabła”, ale równie dobrze mógłby to powiedzieć, ponieważ liczba czynników, które trudno poznać w przypadku konkretnej powierzchni, jest ogromna.”
Po przygotowaniu filmów badacze z JILA wysłali je profesorowi Ericowi Hudsonowi z UCLA, który do badania przejść jądrowych użył lasera o dużej mocy i znacznie większej szerokości widma. W tym laserze o szerokim spektrum cała moc optyczna jest skupiona w jednym miejscu widmowym, a nie w grzebieniu częstotliwości, w którym linie widmowe są regularnie rozmieszczone na większej odległości widmowej. Umożliwiło to zespołowi z UCLA skuteczne wzbudzenie jąder toru, mimo że obserwowana szerokość linii jest szersza niż zaobserwowano wcześniej w poprzednim badaniu. Kiedy energia lasera dokładnie odpowiadała energii wymaganej do przejścia, jądra wyemitowały fotony, powracając do swojego pierwotnego stanu. Wykrywając te emitowane fotony, badacze mogli potwierdzić pomyślne wzbudzenia jądrowe, weryfikując potencjał cienkiej warstwy jako częstotliwości odniesienia dla zegarów jądrowych.
„Zrobiliśmy cienką warstwę, scharakteryzowaliśmy ją i wyglądało to całkiem nieźle” – wyjaśnia student JILA, Tian Ooi, który również był zaangażowany w te badania. „Fajnie było zobaczyć, że sygnał rozpadu jądrowego rzeczywiście tam był”.
Przyszłość precyzyjnego pomiaru czasu
Na podstawie swoich odkryć naukowcy są podekscytowani poprawą precyzji pomiaru czasu, jaką można uzyskać dzięki zastosowaniu cienkich warstw w zegarach nuklearnych.
„Ogólną zaletą stosowania zegarów w stanie stałym, w przeciwieństwie do zegarów z uwięzionymi jonami, jest to, że liczba atomów jest znacznie, znacznie większa” – wyjaśnia Higgins. „Istnieją rzędy wielkości więcej atomów, niż można by mieć w pułapce jonowej, co pomaga w utrzymaniu stabilności zegara”.
Te cienkie folie mogłyby dodatkowo umożliwić nuklearne mierzenie czasu wykraczające poza warunki laboratoryjne, czyniąc je kompaktowymi i przenośnymi.
„Wyobraź sobie coś, co możesz nosić na nadgarstku” – mówi Ooi. „Można sobie wyobrazić możliwość miniaturyzacji wszystkiego do tego poziomu w odległej przyszłości”.
Chociaż taki poziom przenośności jest wciąż odległym celem, może zrewolucjonizować sektory, które opierają się na precyzyjnym pomiarze czasu, od telekomunikacji po nawigację.
„Jeśli będziemy mieli szczęście, może nam to nawet powiedzieć o nowej fizyce” – dodaje Doyle.
Odniesienie: „Cienkie warstwy 229ThF4 do półprzewodnikowych zegarów nuklearnych” 18 grudnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08256-5
Prace te były wspierane przez Biuro Badań Armii, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych, Narodową Fundację Nauki oraz Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST).
