På vej til det optiske atomur

Kernen af ​​thorium-229 besidder en egenskab, der er unik blandt alle kendte nuklider:Det skulle være muligt at excitere den med ultraviolet lys. Til dato, lidt har været kendt om lavenergitilstanden af ​​Th-229-kernen, der er ansvarlig for denne egenskab. Sammen med deres kolleger fra München og Mainz, forskere ved Physikalisch -Technische Bundesanstalt (PTB) har nu udført de første målinger nogensinde - ved hjælp af optiske metoder - af nogle vigtige egenskaber ved denne atomstat, såsom formen på dens ladningsfordeling. På denne måde, en laser -excitation af atomkernen kan overvåges, således at et optisk atomur kan realiseres, der "tikker" mere præcist end nutidens atomure. Forskerne har rapporteret deres resultater i det aktuelle nummer af Natur .

Allerede for omkring 15 år siden, Ekkehard Peik og Christian Tamm var ved at udvikle konceptet med et nyt atomur, der havde unikke egenskaber ved PTB i Braunschweig:I stedet for at en overgangsfrekvens mellem to tilstande i elektronskallen blev brugt som impulsgenerator for deres ur, som det er tilfældet i alle atomure i brug i dag, de forestillede sig at bruge en overgangsfrekvens i kernen. Fordi protoner og neutroner i kernen er pakket tættere end elektronerne i atomskallen af ​​flere størrelsesordener, de reagerer mindre følsomt på eksterne forstyrrelser, der kan ændre deres overgangsfrekvenser - hvilket giver gode betingelser for et ur med høj præcision.

Imidlertid, frekvenserne af nukleare overgange er også meget højere end for skalovergange (i røntgenområdet); af denne grund, de er ubrugelige til atomure, hvilken, til dato, har udelukkende været baseret på mikrobølger eller laserlys. Den eneste kendte undtagelse, og grundlaget for PTB's forslag, er kernen af ​​thorium-229. Denne kerne besidder en kvasi-stabil, isomer atomtilstand ved usædvanlig lav excitationsenergi. Dermed, der eksisterer en overgang mellem grundtilstanden og denne isomer, som er i frekvensområdet for ultraviolet lys, og dermed inden for rækkevidde af laserteknologi, der ligner den, der bruges i nutidens optiske atomure.

Mere end ti forskningsgrupper rundt om i verden arbejder i øjeblikket på projekter vedrørende gennemførligheden af ​​et thorium-229 atomur. I eksperimentelle termer, dette problem har vist sig at være ekstremt svært. Af denne grund, der er hidtil ikke opnået nogen succes med at observere atomovergangen ved hjælp af optiske metoder, da viden om isomerens præcise excitationsenergi kun har været omtrentlig. "Som ønsket for uret, resonansen af ​​overgangen er ekstremt skarp og kan kun observeres, hvis frekvensen af ​​laserlyset præcist matcher energiforskellen i begge tilstande. Problemet ligner derfor den ordsprogede søgen efter en nål i en høstak, "siger Dr. Peik.

I 2016 Dr. Peiks samarbejdspartnere ved Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) i München rapporterede om deres første gennembrud i Natur :For første gang, de var i stand til at bevise den nukleare overgang inden for thorium-229 kernen, selvom de anvendte metoder var meget forskellige fra dem, der blev brugt til et atomur.

Dette samarbejdsprojekt - som, ud over PTB- og LMU -forskere, omfatter også forskere fra Johannes Gutenberg Universitet Mainz, Helmholtz Institute Mainz og GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt - har nu taget endnu et afgørende skridt:For første gang, det har været muligt for grundlæggende egenskaber som størrelsen og formen af ​​ladningsfordelingen at blive målt i den exciterede tilstand af Th-229-kernen. Til denne ende, Th-229-kernerne var ikke begejstrede fra deres grundtilstand (som det vil ske i fremtiden i uret); i stedet, i en enhed udviklet af LMU, de blev opnået i den ophidsede tilstand fra alfa-henfaldet af uran-233, bremset og lagret som Th2+ -ioner i en ionfælde. En uran-233 kilde egnet til dette formål blev leveret af grupperne i Mainz og Darmstadt. Ved hjælp af lasersystemer udviklet hos PTB til spektroskopi af disse ioner, det var muligt at måle overgangsfrekvenser i elektronskallen nøjagtigt. Fordi disse frekvenser er direkte påvirket af de nukleare egenskaber, de kan bruges til at indhente oplysninger om disse ejendomme. Til dato, modeller, der udelukkende er baseret på teori, har ikke været i stand til at forudsige, hvordan strukturen af ​​Th-229-kernen vil opføre sig under denne usædvanligt lavenergiovergang. Desuden, fordi strukturen af ​​elektronskallen er lettere at måle ved hjælp af spektroskopi, det er blevet muligt at bruge det til at demonstrere en laser -excitation af kernen.

Imidlertid, selvom dette ikke betyder, at søgningen er afsluttet efter den optiske resonansfrekvens for Th-229-kernen ("nålen i høstakken"), vi ved nu, hvordan nålen faktisk ser ud, bringer os et betydeligt skridt tættere på det optiske atomur.