Jadrový prielom by nám mohol pomôcť vytvoriť najpresnejšie hodiny, aké existujú

(kyslík/chvíľa/obrázky Getty)

Najpresnejšie hodiny, aké existujú, nie sú založené na quartzovom strojčeku alebo balančnom koliesku, ale na tikaní elektrónov v atómovom obale. Najlepšie z týchto atómových hodín sú presné jedna časť z 1018 - tak presné, že by ešte nestratili ani sekundu za všetky miliardy rokov od začiatku vesmíru.

Existuje potenciálny nový druh hodín, ktorý by mohol zlepšiť túto presnosť o rádovo, na jednu časť z 1019. Je založený na tikaní jadier izotopu tória, ale hoci myšlienka sa prvýkrát objavil v roku 2003 , bolo ťažké vykonať.

Nové meranie „tikania“ jadra tória-229 nás teraz privádza o krok bližšie k realizácii sna o jadrových hodinách.



„Pre stav 229 mTh bolo navrhnuté množstvo aplikácií a výskumov, od jadrového gama lasera, vysoko presných a stabilných iónových jadrových hodín až po kompaktné jadrové hodiny v pevnej fáze,“ napísali vedci vo svojom článku .

„Takéto hodiny by umožnili dosiahnuť novú úroveň presnosti pre sondy základnej fyziky, napríklad variáciu základných konštánt, hľadanie temná hmota , alebo ako a gravitačná vlna detektor. Môžu byť použité v rôznych aplikáciách, ako je geodézia alebo satelitná navigácia.“

Tu je návod, ako fungujú atómové hodiny. Atómy konkrétneho prvku ako naprstronciumaleboytterbiumsú ožarované lasermi. To excituje elektróny v atómových obaloch, čo spôsobuje, že oscilujú tam a späť medzi dvoma energetickými stavmi. Tieto oscilácie sú produkované prechodmi medzi energetickými hladinami, ktoré sú vybudené špecifickými vlnovými dĺžkami elektromagnetického žiarenia.

Jadrové hodiny by mali fungovať na rovnakom princípe, ibaže namiesto elektrónov osciluje samotné jadro.

Ale väčšina atómových jadier má vysoké prechodové energie v rozsahu kiloelektrónvoltov až megaelektrónvoltov. Aby sa tieto jadrá dostatočne vzrušili, aby oscilovali, potrebujú dosť značné množstvo energie – predstavte si radšej gama lúče alebo röntgenové lúče než lasery – čo ich robí extrémne nepraktickými na meranie času. Len nemáme laserovú technológiu schopnú týchto energií.

Pozoruhodnou výnimkou je tórium-229. Z tisícok známych atómových jadier je excitovaný stav jadra tória-229 zďaleka najnižšia známa , v rozsahu elektrónov. Je taká nízka, že ju možno vyvolať ultrafialovým žiarením.

To je skvelá správa pre naše úsilie o atómové hodiny, ale ešte sme ďaleko od domova. Aby sme zistili presnú vlnovú dĺžku ultrafialového svetla potrebnú na excitáciu jadra, a teda potrebnú laserovú technológiu, musíme zmerať presnú zmenu energie medzi základným stavom a excitovaným stavom.

Bolo urobených niekoľko pokusov a každý z nich to zúžil o niečo bližšie. Ale nové úsilie vedené fyzikom Tomášom Sikorským z Heidelbergskej univerzity v Nemecku je možno doteraz najpresnejšie.

Tím meral emitované gama žiarenie, keď sa izotop uránu-333 rozpadol na rôzne izoméry alebo molekulárne konfigurácie tória-229, vrátane požadovaného metastabilného izoméru tória-229m. Táto technika bola použitá už predtým, pričom výsledky boli 7,6 elektrónvoltov a 7,8 elektrónvoltov v 2007 a 2009 resp.

Sikorského tím však použil na meranie gama žiarenia novú, presnejšiu metódu. Ako svoj gama spektrometer navrhli kryogénny magnetický mikrokalorimeter. Gama lúče dopadajú na absorbujúcu dosku a premieňajú sa na teplo. To sa potom premení na zmenu magnetizácie v senzoroch, ktorá sa môže previesť na energiu prechodu.

'Tento experiment dopĺňa experiment s konverziou elektrónov v tom, že energia izoméru je extrahovaná priamo z experimentálnych údajov bez použitia výpočtov,' napísali vedci vo svojom článku . 'Jediná významná neistota v našom experimente je štatistická chyba.'

S touto novou meracou technikou tím zistil, že prechodová energia je 8,1 elektrónvoltov, čo zodpovedá excitačnej vlnovej dĺžke 153,1 nanometrov.

Toto je veľmi blízko minuloročné meranie pomocou inej techniky, ktorá zistila, že energia je 8,28 elektrónvoltov, čo zodpovedá vlnovej dĺžke 149,7 nanometrov. Zdá sa teda, že sa približujeme a lasery v tomto rozsahu vlnových dĺžok nie sú nemožné - len ich musíme postaviť.

Keďže, ako poznamenali výskumníci, jediná neistota je štatistická, vykonanie veľkého počtu meraní by malo túto neistotu výrazne znížiť. Čo znamená, že jadrové hodiny sú teraz dosiahnuteľné ako kedykoľvek predtým.

Výskum bol publikovaný v r Fyzické prehľadové listy .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.