Undersøgelse af en nuklear ur-overgang

Moderne atomure er de mest nøjagtige måleværktøjer, der er tilgængelige i øjeblikket. De bedste nuværende instrumenter afviger kun med et sekund på 30 milliarder år. Imidlertid, selv dette ekstraordinære niveau af præcision kan forbedres. Ja, et ur baseret på en exciteret nuklear tilstand af thorium-229 skulle gøre det muligt at forbedre timing-nøjagtigheden med en anden størrelsesorden.

Nu, et forskerhold ledet af fysiker Peter Thirolf ved Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München med institutionelle samarbejdspartnere har taget et vigtigt skridt hen imod et sådant ur. Den nye undersøgelse er offentliggjort i tidsskriftet Natur .

I avisen, forfatterne rapporterer, at det er lykkedes dem at kvantificere den energi, der frigives ved henfaldet af den exciterede thorium-229-kerne, hvilket er en væsentlig forudsætning for realiseringen af ​​et thorium-baseret atomur.

I modsætning til nuværende atomure, som gør brug af oscillationer i atomernes ydre elektronskaller, nukleare ure anvender oscillationer i kernen som deres tidtager. I begge tilfælde oscillationerne er produktet af overgange mellem definerede energiniveauer, som kan exciteres af laserlys af en bestemt bølgelængde. Typisk, de energier, der kræves for at excitere svingninger i langt de fleste atomkerner, er størrelsesordener højere end dem, der kræves for at stimulere overgange i elektronernes orbitale skaller - hvilket udelukker brugen af ​​konventionelle lasere til dette formål. Imidlertid, der er kun én levedygtig kandidat til udviklingen af ​​et nukleart ur - thorium-229-kernen. Dens exciterede tilstand er placeret ved en energi, der er langt den laveste af enhver tilstand, der findes i de omkring 3800 i øjeblikket kendte atomkerner. Bestråling med UV-lys, som er inden for kapaciteten af ​​lasere, der nu er tilgængelige, er tilstrækkelig til at befolke denne ophidsede tilstand.

Imidlertid, indtil nu, den præcise energi, der kræves for at generere den exciterede thorium-229, er forblevet ukendt. "For at fremkalde den nukleare overgang, laserlysets bølgelængde skal indstilles til at matche overgangsenergien nøjagtigt. Det er nu lykkedes at måle dette præcist for første gang, " siger Benedict Seiferle, hovedforfatter af det nye papir.

Til disse målinger, udført på LMU, forfatterne af undersøgelsen gjorde brug af den dobbeltladede thorium-229 kation. Kilder, der leverer denne kation i den exciterede nukleare tilstand, blev udviklet i Mainz og derefter placeret inde i en dedikeret ionfælde udviklet ved LMU. Kationens exciterede tilstand har en levetid på timer. Dette er relativt langt for en ophidset atomstat og er afgørende for den fremtidige udvikling af uret, men det hæmmer måling af henfaldsenergien. "Denne lange levetid betyder, at henfald til grundtilstanden kun forekommer sjældent. Da måling af dette henfald var målet med vores eksperiment, vi udnyttede det faktum, at henfald sker hurtigt, når kationerne får mulighed for at opsamle de manglende elektroner, " siger Seiferle.

For at give elektroner, Seiferle og kolleger førte ionerne gennem et lag af grafen. På vej gennem dette lag, hver ion optager to elektroner og kommer frem som et neutralt atom på den anden side. Takket være dette kontrollerede neutraliseringstrin, den exciterede tilstand henfalder derefter til grundtilstanden inden for et par mikrosekunder. De neutraliserede atomer udstøder en elektron fra en ydre atomskal, genererer således en positivt ladet thorium-229-ion. Den frie elektrons kinetiske energi afhænger af kernetilstandens excitationsenergi og bestemmes ved hjælp af et elektronspektrometer. Imidlertid, denne energi er kun en brøkdel af den energi, der bruges til at generere den exciterede nukleare tilstand. Resten forbliver i thorium-229, som gengiver fortolkningen af ​​det resulterende spektrekompleks. For at komme uden om dette problem, forfatterne baseret på Max-Planck Instituttet for Teoretisk Fysik i Heidelberg beregnede de forventede spektre. Ved hjælp af disse forudsigelser, og i samarbejde med deres kolleger i Wien og Bonn, holdet i München var derefter i stand til at bestemme den energi, der faktisk var forbundet med henfaldet af den ophidsede nukleare stat.

Resultatet indikerer, at thorium-229-kernen kan exciteres til dette niveau ved bestråling med laserlys ved en bølgelængde på omkring 150 nanometer. Nu kan lasere, der er specielt designet til at udsende i dette bølgelængdeområde, konstrueres. Dette trin vil bringe det første nukleare ur meget tættere på praktisk realisering. Forskerne mener, at et thorium-baseret atomur vil åbne op for nye veje inden for de grundlæggende videnskaber, men vil også finde mange applikationer, som kun bliver mulige på baggrund af ekstremt præcise målinger i tidsdomænet.