Istraživači su napravili značajan eksperimentalni pomak ka nuklearnim satovima zasnovanim na tranziciji jezgra torijum‑229. Umesto da traže teško detektabilno vakuum‑UV svetlo, tim je registrovao interne konverzijske elektrone iz vrlo tankog sloja torijum‑dioksida, što olakšava rad u širem spektru materijala. Metoda skraćuje put ka jednostavnijim i potencijalno miniaturizovanim nuklearnim satovima koji mogu unaprediti navigaciju, testove osnovnih konstanti i potragu za novom fizikom.
Nuklearni satovi bliže nego ikad — torijum‑229 i nova metoda za precizno merenje vremena
Atomic clocks exploit the properties of atoms to create incredibly precise 'ticks.'Nate Phillips, NIST
Većina satova, od ručnih do sistema koji pokreću GPS i internet, meri vreme prateći redovne, ponavljajuće pokrete. U našem radu smo napravili eksperimentalni korak ka satovima koji bi koristili jezgro atoma umesto elektrona — pristup koji bi mogao doneti dramatično stabilnije merenje vremena.
Šta su nuklearni satovi i zašto su važni?
Da bi sat bio pouzdan, potrebno je da "kuca" na potpuno ponovljiv i stabilan način. Današnji najprecizniji atomski satovi mere tranzicije elektrona u atomima pomoću lasera i računaju "takt" brojanjem talasnih ciklusa svetlosti. Međutim, elektronske tranzicije su osetljive na spoljne uticaje — temperaturne promene, električna ili magnetna polja — zbog čega njihov rad može blago varirati.
Jezgro atoma je oko 10.000 puta manje od celog atoma i znatno je manje osetljivo na ovakve spoljne smetnje. Ako bi se izgradili satovi zasnovani na nuklearnim tranzicijama, mogli bismo dobiti stabilniji "takt" koji bi poboljšao navigaciju, komunikacije i omogućio nova naučna merenja.
Nuclear clocks could work by using a laser to excite the atomic nucleus in an atom so that it emits energy in the form of light – or transfers energy to another electron, as in the case of thorium-229.N. Hanacek/NIST
Retka tranzicija torijuma‑229
U jednom izuzetno retkom slučaju, jezgro izotopa torijum‑229 poseduje niskoenergetsku nuklearnu tranziciju između osnovnog i blago pobuđenog stanja koja se može pobuditi laserom. Prvo precizno određivanje energije te tranzicije završeno je 2024. nakon decenija rada, a frekvencija odgovara približno 2 × 1015 Hz.
Kako smo mi pristupili problemu
Tradicionalno, potvrda ekscitacije nuklearne tranzicije oslanjala se na detekciju veoma slabog vakuum‑UV svetla koje jezgro eventualno emituje. To ima dve velike teškoće: u većini materijala energija se oslobađa kroz proces interna konverzija (energija prelazi na elektrone), a i vakum‑UV zračenje je teško detektovati zbog apsorpcije u vazduhu.
Umesto da lovimo retke fotone, u našem radu smo direktno detektovali interne konverzijske elektrone. Pripremili smo vrlo tanak sloj torijum‑dioksida — svega nekoliko desetina atoma debljine — nanetog na metalnu pločicu. Laserom smo pobudili jezgra u uzorku; kada su se neka jezgra relaksirala, energiju su prenela na elektrone koji su mogli izaći sa površine. Pažljivo postavljena električna i magnetska polja usmeravala su te elektrone ka detektoru.
In an opaque material, a light can only travel a few nanometers in the material before it is completely absorbed. However, scientists can detect electrons excited by the light and emitted from the material, to observe a process called the nuclear transition, which could one day help make a nuclear clock ‘tick.’ Albert Bao and Grant Mitts
Skenerom laserske frekvencije i brojanjem detektovanih elektrona identifikovali smo tačnu frekvenciju pri kojoj torijum‑229 najsnažnije apsorbuje energiju. Istovremeno smo izmerili i vreme života pobuđenog nuklearnog stanja u tom materijalu, što daje uvid u uticaj okoline.
Prednosti i posledice metode
Detekcija elektrona umesto svetla ima dve ključne prednosti: omogućava rad u mnogo širem spektru čvrstih materijala — uključujući materijale prethodno nepraktične za vakuum‑UV pristup — i otvara put ka satovima koji mogu da očitavaju mali električni signal (strujni impuls) umesto da zavise od osetljivih optičkih detektora. To olakšava dizajn i potencijalnu miniaturizaciju budućih nuklearnih časovnika.
Napredniji nuklearni satovi mogli bi poslužiti i za testiranje da li osnovne konstante prirode ostaju nepromenjene tokom vremena ili za traganje za novom fizikom, uključujući tamnu materiju. Takođe bi unapredili tehnologije koje zahtevaju ekstremno sinhronizovano vreme.
Šta ovo znači sada
Naš rad predstavlja rani, ali važan eksperimentalni korak. Ne radi se o gotovom nuklearnom satu, već o uklanjanju praktične prepreke i o uvođenju novog eksperimentalnog alata za proučavanje ponašanja torijumovog jezgra u čvrstim materijalima. Dalji rad uključuje precizne teorijske proračune koji kvantifikuju pomeranja tranzicione energije izazvana sredinom materijala i optimizaciju uzoraka za konstrukciju budućih uređaja.
Autori: Eric R. Hudson (University of California, Los Angeles) i Andrei Derevianko (University of Nevada, Reno). Rad je objavljen u časopisu Nature. Finansijsku podršku autori navode iz ARO, DARPA, NIST, NSF, RCSA i NASA.
Pomozite nam da budemo bolji.
