Laser excitation af Th-229 kerne:Nye fund tyder på, at klassisk kvantefysik og kernefysik kan kombineres

Fysikere har håbet på dette øjeblik i lang tid:I mange år har videnskabsmænd over hele verden ledt efter en meget specifik tilstand af thorium-atomkerner, der lover revolutionerende teknologiske anvendelser. Det kunne for eksempel bruges til at bygge et atomur, der kunne måle tiden mere præcist end de bedste atomure, der findes i dag. Det kunne også bruges til at besvare helt nye fundamentale spørgsmål inden for fysik – for eksempel spørgsmålet om, hvorvidt naturens konstanter faktisk er konstante, eller om de ændrer sig i rum og tid.

Nu er dette håb gået i opfyldelse:Den længe søgte thoriumovergang er fundet, og dens energi er nu kendt nøjagtigt. For første gang har det været muligt at bruge en laser til at overføre en atomkerne til en tilstand med højere energi og derefter præcist spore dens tilbagevenden til sin oprindelige tilstand.

Dette gør det muligt at kombinere to områder af fysikken, som tidligere havde lidt med hinanden at gøre:Klassisk kvantefysik og kernefysik. En afgørende forudsætning for denne succes var udviklingen af ​​specielle thorium-holdige krystaller.

Et forskerhold ledet af prof. Thorsten Schumm fra TU Wien (Wien) har nu offentliggjort denne succes sammen med et hold fra National Metrology Institute Braunschweig (PTB) i tidsskriftet Physical Review Letters .

Skifter kvantetilstande

Manipulering af atomer eller molekyler med lasere er almindeligt i dag:Hvis laserens bølgelængde er valgt helt rigtigt, kan atomer eller molekyler skiftes fra en tilstand til en anden. På den måde kan atomers eller molekylers energier måles meget præcist. Mange præcisionsmålingsteknikker er baseret på dette, såsom nutidens atomure, men også kemiske analysemetoder. Lasere bruges også ofte i kvantecomputere til at lagre information i atomer eller molekyler.

I lang tid syntes det dog umuligt at anvende disse teknikker på atomkerner.

"Atomkerner kan også skifte mellem forskellige kvantetilstande. Det kræver dog normalt meget mere energi at ændre en atomkerne fra en tilstand til en anden - mindst tusind gange energien af ​​elektroner i et atom eller et molekyle," siger Schumm. "Det er grunden til, at atomkerner normalt ikke kan manipuleres med lasere. Fotonernes energi er simpelthen ikke nok."

Dette er uheldigt, fordi atomkerner faktisk er de perfekte kvanteobjekter til præcisionsmålinger:De er meget mindre end atomer og molekyler og er derfor meget mindre modtagelige for eksterne forstyrrelser, såsom elektromagnetiske felter. I princippet ville de derfor tillade målinger med hidtil uset nøjagtighed.

Nålen i høstakken

Siden 1970'erne har der været spekulationer om, at der kunne være tale om en særlig atomkerne, som i modsætning til andre kerner måske kunne manipuleres med en laser, nemlig thorium-229. Denne kerne har to meget tæt tilstødende energitilstande - så tæt op ad hinanden, at en laser i princippet burde være tilstrækkelig til at ændre atomkernens tilstand.

I lang tid var der dog kun indirekte beviser for eksistensen af ​​denne overgang. "Problemet er, at man skal kende overgangens energi ekstremt præcist for at kunne inducere overgangen med en laserstråle," siger Schumm.

"At kende energien af ​​denne overgang til inden for en elektronvolt er til lidt nytte, hvis du skal ramme den rigtige energi med en præcision på en milliontedel af en elektronvolt for at detektere overgangen." Det er som at lede efter en nål i en høstak – eller at prøve at finde en lille skattekiste begravet på en kilometer lang ø.

Thoriumkrystaltricket

Nogle forskergrupper har forsøgt at studere thoriumkerner ved at holde dem individuelt på plads i elektromagnetiske fælder. Schumm og hans hold valgte dog en helt anden teknik.

"Vi udviklede krystaller, hvori et stort antal thoriumatomer er inkorporeret," forklarer Fabian Schaden, der udviklede krystallerne i Wien og målte dem sammen med PTB-teamet.

"Selvom dette teknisk set er ret komplekst, har det den fordel, at vi ikke kun kan studere individuelle thoriumkerner på denne måde, men kan ramme cirka 10 i kraft af 17 thoriumkerner samtidigt med laseren - omkring en million gange mere end der er stjerner i vores galakse."

Det store antal thoriumkerner forstærker effekten, forkorter den nødvendige måletid og øger sandsynligheden for faktisk at finde energiovergangen.

Den 21. november 2023 fik holdet endelig succes:Den korrekte energi af thoriumovergangen blev ramt præcist, og thoriumkernerne leverede et klart signal for første gang. Laserstrålen havde faktisk ændret tilstanden. Efter omhyggelig undersøgelse og evaluering af dataene er resultatet nu offentliggjort.

"For os er dette en drøm, der går i opfyldelse," siger Schumm. Siden 2009 har Schumm fokuseret sin forskning udelukkende på søgen efter thorium-overgangen. Hans gruppe såvel som konkurrerende hold fra hele verden har gentagne gange opnået vigtige delvise succeser i de senere år.

"Selvfølgelig er vi glade for, at vi nu er dem, der kan præsentere det afgørende gennembrud:Den første målrettede laserexcitation af en atomkerne," siger Schumm.

Drømmen om atomuret

Dette markerer starten på en ny spændende æra af forskning:Nu hvor holdet ved, hvordan man exciterer thoriumtilstanden, kan denne teknologi bruges til præcisionsmålinger. "Lige fra begyndelsen var det et vigtigt langsigtet mål at bygge et atomur," siger Schumm.

"I lighed med hvordan et pendulur bruger pendulets svingning som en timer, kan oscillationen af ​​lyset, der exciterer thorium-overgangen, bruges som en timer for en ny type ur, der ville være væsentligt mere nøjagtig end de bedste atomure. tilgængelig i dag."

Men det er ikke kun tiden, der kunne måles meget mere præcist på denne måde end tidligere. Jordens gravitationsfelt kunne for eksempel analyseres så præcist, at det kunne give indikationer på mineralressourcer eller jordskælv. Målemetoden kunne også bruges til at komme til bunds i fysikkens fundamentale mysterier:Er naturens konstanter virkelig konstante? Eller kan små ændringer måske måles over tid?

"Vores målemetode er kun begyndelsen," siger Schumm. "Vi kan endnu ikke forudsige, hvilke resultater vi vil opnå med det. Det bliver helt sikkert meget spændende."

Flere oplysninger: J. Tiedau et al., Laser Excitation of the Th-229 Nucleus, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.182501

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Vienna University of Technology