Новости

Oct 02, 2023

Немецкие исследователи приближают нас к созданию ядерных часов

Blackjack3D/iStock Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой.

Блэкджек3D/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Сотрудничество исследователей из различных институтов Германии приблизило нас на шаг к созданию первых в мире ядерных часов. В экспериментах, проведенных в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), исследователи измеряют радиационный распад ядерного изомера тория-229, что является первым примером достижения этого подвига и критическим компонентом для создания ядерных часов.

В течение многих лет атомные часы были нашим стандартом точности, когда дело касалось часов. Лучшие оптические атомные часы имеют точность 10–18, что эквивалентно погрешности в одну секунду каждые 30 миллиардов лет.

Ожидается, что ядерные оптические часы будут как минимум в 10 раз точнее. Хотя впервые это было предложено более двух десятилетий назад, исследователи смогли добиться некоторых успехов в этом направлении только после некоторых важных открытий, сделанных в последние годы.

Согласно пресс-релизу Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце, открытием, вызвавшим настоящий переполох в научных кругах, стало прямое обнаружение изомера тория-229. Изомер – это атом, ядро ​​которого находится в более высоком энергетическом состоянии. Этого можно добиться, используя свет определенной частоты.

В атомных часах исследователи используют частоту света, используемую для вызова переходов в атоме, в качестве меры времени. Однако для ядерных часов используется частота света, используемая для возбуждения только атомного ядра. Поскольку атомное ядро ​​представляет собой более компактную структуру и имеет малые электромагнитные моменты, оно менее восприимчиво к внешним помехам.

Александрарковский/iStock

Когда изомер возвращается в свое основное состояние, он испускает фотон — процесс, который ученые назвали радиационным распадом, который имеет решающее значение для измерений. Однако ранее исследователям не удавалось точно измерить распад. Недавно это препятствие было преодолено благодаря совместным усилиям исследователей из различных немецких исследовательских организаций.

Эксперименты проводились на установке ISOLDE в ЦЕРН, где атомы актиния-229 были имплантированы в кристаллы фторида кальция или фторида магния и оставлены распадаться на торий-229. Исследовательская группа измерила фотоны с длиной волны ультрафиолета 148 нм и энергией перехода 8,338 электронвольт.

Исследователи утверждают, что это наиболее точное измерение энергии изомера, и его точность улучшилась в семь раз по сравнению с предыдущими результатами. Прежде чем можно будет построить ядерные часы, нужно проделать гораздо больше работы, но исследования показывают, что торий-229 — наш лучший выбор для их создания.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Аннотация исследования:

Радионуклид торий-229 представляет собой изомер с исключительно низкой энергией возбуждения, который позволяет напрямую манипулировать ядерными состояниями с помощью лазера. Он является одним из основных кандидатов на использование в оптических часах следующего поколения. Эти ядерные часы станут уникальным инструментом для точных испытаний фундаментальной физики. Хотя косвенные экспериментальные доказательства существования такого необычного ядерного состояния существенно старше, доказательство существования было получено лишь недавно путем наблюдения распада электронной конверсии изомера. Измерены энергия возбуждения изомера, ядерный спин и электромагнитные моменты, время жизни электронной конверсии и уточненная энергия изомера. Несмотря на недавний прогресс, радиационный распад изомера, ключевой ингредиент для разработки ядерных часов, остался незамеченным. Здесь мы сообщаем об обнаружении радиационного распада этого низкоэнергетического изомера в тории-229 (229mTh). При выполнении вакуумно-ультрафиолетовой спектроскопии 229mTh, включенного в широкозонные кристаллы CaF2 и MgF2 на установке ISOLDE в ЦЕРН, были измерены фотоны с энергией 8,338(24) эВ, что согласуется с недавними измерениями, и неопределенность уменьшилась в семь раз. Период полураспада 229mTh, внедренного в MgF2, составляет 670(102) с. Наблюдение радиационного распада в кристалле с широкой запрещенной зоной имеет важные последствия для конструкции будущих ядерных часов, а улучшенная неопределенность энергии облегчает поиск прямого лазерного возбуждения атомного ядра.