Torium-229:ään perustuva ydinkello on askeleen lähempänä nyt, kun Saksan ja Itävallan tutkijat ovat osoittaneet, että he voivat saattaa isotoopin ytimet matalaan metastabiiliin tilaan.

Poikkeuksellisen alhainen 8 eV viritysenergia vastaa tyhjiöultravioletin valoa, joka voidaan tuottaa laserilla. Tämän seurauksena siirtymää voitaisiin käyttää tarkan kellon luomiseen. Tällainen ydinkello olisi periaatteessa vakaampi kuin nykyiset atomikellot, koska se olisi paljon vähemmän herkkä ympäristön melulle. Ydinkello voisi olla myös käytännöllisempi, koska toisin kuin atomikello, se voisi olla täysin solid-state-laite.

Tämä suuri tarkkuus ja vakaus tekee kuitenkin tämän siirtymän havaitsemisen ja virittämisen vaikeaksi, koska kyseessä olevalla valolla on hyvin kapea kaistanleveys ja sitä voi olla vaikea löytää. Itse asiassa CERNin tutkijat tekivät sen vasta viime vuonna ensimmäinen suora mittaus fotoneista siirtymävaiheesta, kun taas siirtymän olemassaolosta vahvistettiin vuonna 2016.

Edullinen laser

Torium-229 ei ole ainoa ydin, jota tutkitaan käytettäväksi ydinkellossa. Työskentele scandium-45 on edelleen kehittynyt, mutta tämän ytimen siirtymäenergia on 12.4 keV. Tämä tarkoittaa, että se olisi yhdistettävä röntgenlaserin kanssa kellon luomiseksi – ja tällaiset laserit ovat suuria ja kalliita.

Uusi tutkimus tehtiin yhteistyössä Saksan Braunschweigin liittovaltion fysikaalisen ja teknisen instituutin ja Itävallan Wienin teknillisen yliopiston fyysikkojen kanssa. Yksi joukkueen jäsenistä on Ekkehard Peik, who came up with the idea of a nuclear clock twenty years ago.

Ydin- ja atomikellot toimivat pitkälti samalla tavalla. Kiinnostava siirtymä viritetään laserilla (tai maserilla) ja säteilevä valo lähetetään takaisinkytkennän ohjausmekanismiin, joka lukitsee laserin taajuuden siirtymän taajuuteen. Laservalon erittäin vakaa taajuus on kellon lähtö.

Ensimmäiset kellot (ja nykyinen kansainvälinen aikastandardi) käyttävät mikroaaltoja ja cesiumatomeja, kun taas parhaat nykyiset kellot (kutsutaan optisiksi kelloiksi) käyttävät valoa ja atomeja, mukaan lukien strontium ja ytterbium. Optiset atomikellot ovat niin luotettavia, että jopa miljardien vuosien jälkeen ne sammuisivat vain muutaman millisekunnin.

Pienempi on parempi

Suuri osa tästä suorituskyvystä johtuu siitä, kuinka atomit vangitaan ja suojataan sähkömagneettiselta melulta – mikä on merkittävä kokeellinen haaste. Sitä vastoin ytimet ovat paljon pienempiä kuin atomit, mikä tarkoittaa, että niillä on paljon vähemmän vuorovaikutusta sähkömagneettisen kohinan kanssa. Todellakin, sen sijaan, että ne olisi eristetty ansaan, kelloytimet voitaisiin upottaa kiinteään materiaaliin. Tämä yksinkertaistaisi huomattavasti kellon suunnittelua.

Kokeessaan itävaltalaiset ja saksalaiset fyysikot seostivat kalsiumfluoridikiteitä torium-229-ytimillä, jotka he saivat USA:n ydinaseriisuntaohjelmasta. Toriumilla seostetut kiteet olivat vain muutaman millimetrin halkaisijaltaan. Sitten he käyttivät pöytälaseria herättämään torium-229 haluttuun matalan energian ydintilaan. Tämä viritys varmistettiin käyttämällä resonanssifluoresenssiksi kutsuttua tekniikkaa, joka sisältää fotonien havaitsemisen, jotka vapautuvat, kun virittyneet ytimet hajoavat takaisin perustilaan.

Ydinkellot: miksi CERNin kokeilu tuo ne lähemmäs todellisuutta

"Tämä tutkimus on erittäin tärkeä askel ydinkellon kehittämisessä", sanoo Piet Van Duppen Belgian KU Leuvenista, joka työskentelee ydinkellojen parissa. ”Se todistaa, että tämä kehitys on teknisesti mahdollista myös puolijohdekelloille. Oletimme, että ydinsiirtymän laserviritys olisi havaittavissa optisissa ansoissa, mutta tähän asti oli epäilyksiä, oliko näin myös solid-state-kiteissä.

Tulevaisuuden ydinkellojen potentiaaliset sovellukset ovat pääasiassa pienten aikavaihteluiden havaitsemisessa, jotka voivat viitata uuteen fysiikkaan standardimallin ulkopuolella. Tämä voi sisältää vaihteluita perusvoimissa ja vakioissa. Erityisesti kellot voisivat paljastaa uutta fysiikkaa etsimällä variaatioita ydinvoimasta, joka sitoo ytimet yhteen ja lopulta määrittää kellotaajuuden. Tämän seurauksena ydinkellot voisivat valaista joitain suuria fysiikan mysteereitä, kuten pimeän aineen luonne,

Kelloja voitaisiin myös käyttää mittaamaan Maan vetovoiman eroista johtuvia ajan dilataatioita. Tämä voitaisiin tehdä käyttämällä pienikokoisia ja erittäin liikkuvia ydinkelloja siruilla, joita voitaisiin helposti siirtää eri paikkoihin. Tämä olisi erittäin hyödyllistä geodesian ja geologisten tutkimusten tekemisessä.

Tutkimusta kuvaava paperi on hyväksytty julkaistavaksi Fyysiset tarkastelukirjeet.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/