En kjernefysisk klokke basert på thorium-229 er et skritt nærmere nå som forskere i Tyskland og Østerrike har vist at de kan sette isotopens kjerner inn i en lavtliggende metastabil tilstand.
Den eksepsjonelt lave 8 eV eksitasjonsenergien tilsvarer lys i vakuumet ultrafiolett, som kan genereres av en laser. Som et resultat kan overgangen brukes til å lage en nøyaktig klokke. En slik kjernefysisk klokke ville i prinsippet være mer stabil enn eksisterende atomklokker fordi den ville være mye mindre mottakelig for omgivelsesstøy. En kjernefysisk klokke kan også være mer praktisk fordi i motsetning til en atomklokke, kan den være en fullstendig solid-state enhet.
Denne høye nøyaktigheten og stabiliteten gjør det imidlertid vanskelig å observere og begeistre denne overgangen fordi lyset som er involvert har en veldig smal båndbredde og kan være vanskelig å finne. Det var faktisk først i fjor at forskere ved CERN laget det første direkte måling av fotoner fra overgangen, mens eksistensen av overgangen ble bekreftet i 2016.
Lavere pris laser
Thorium-229 er ikke de eneste kjernene som utforskes for bruk i en kjernefysisk klokke. Jobbe med scandium-45 er ytterligere avansert, men denne kjernen har en overgangsenergi på 12.4 keV. Dette betyr at den må kobles sammen med en røntgenlaser for å lage en klokke – og slike lasere er store og dyre.
Den nye forskningen ble gjort av et samarbeid mellom fysikere fra Federal Physical and Technical Institute i Braunschweig, Tyskland, og Wiens teknologiske universitet i Østerrike. En av teammedlemmene er Ekkehard Peik, who came up with the idea of a nuclear clock twenty years ago.
Atomklokker og atomklokker fungerer omtrent på samme måte. Overgangen av interesse blir eksitert av en laser (eller maser) og det utsendte lyset sendes til en tilbakemeldingskontrollmekanisme som låser frekvensen til laseren til frekvensen av overgangen. Den ekstremt stabile frekvensen til laserlyset er klokkens utgang.
De første klokkene (og gjeldende internasjonale tidsstandard) bruker mikrobølger og cesiumatomer, mens de beste klokkene i dag (kalt optiske klokker) bruker lys og atomer inkludert strontium og ytterbium. Optiske atomklokker er så pålitelige at selv etter milliarder av år vil de være ute med bare noen få millisekunder.
Mindre er bedre
En stor del av denne ytelsen er ned til hvordan atomene er fanget og skjermet fra elektromagnetisk støy – noe som er en betydelig eksperimentell utfordring. Derimot er kjernene mye mindre enn atomer, noe som betyr at de har mye mindre interaksjon med elektromagnetisk støy. Faktisk, i stedet for å være isolert i en felle, kan klokkekjerner være innebygd i et solid materiale. Dette vil i stor grad forenkle klokkedesign.
I sitt eksperiment dopet de østerrikske og tyske fysikerne kalsiumfluoridkrystaller med thorium-229-kjerner, som de fikk fra et atomnedrustningsprogram i USA. De thorium-dopete krystallene var bare noen få millimeter på tvers. De brukte deretter en bordlaser for å eksitere thorium-229 til ønsket lavenergi-atomtilstand. Denne eksitasjonen ble bekreftet ved hjelp av en teknikk kalt resonansfluorescens, som innebærer å oppdage fotonene som sendes ut når de eksiterte kjernene forfaller tilbake til grunntilstanden.
Atomklokker: hvorfor et eksperiment ved CERN bringer dem nærmere virkeligheten
"Denne forskningen er et veldig viktig skritt i utviklingen av en kjernefysisk klokke," sier Piet Van Duppen ved KU Leuven i Belgia, som jobber med kjernefysiske klokker. «Det beviser at denne utviklingen er teknisk mulig, også for solid-state klokker. Vi antok at lasereksitasjon av kjernefysisk overgang ville være påviselig i optiske feller, men inntil nå var det tvil om dette også var tilfellet i faststoffkrystaller.»
Potensielle bruksområder for fremtidens kjernefysiske klokker ligger hovedsakelig i deteksjonen av små tidsvariasjoner som kan peke på ny fysikk utover standardmodellen. Dette kan inkludere variasjoner i de grunnleggende kreftene og konstantene. Spesielt kan klokkene avsløre ny fysikk ved å se etter variasjoner i kjernekraften, som binder sammen kjerner og til slutt definerer klokkefrekvensen. Som et resultat kunne kjernefysiske klokker kaste lys over noen av de store mysteriene i fysikk, for eksempel naturen til mørk materie,
Klokkene kan også brukes til å måle tidsutvidelse på grunn av forskjeller i jordens gravitasjonskraft. Dette kan gjøres ved hjelp av miniatyr og svært mobile kjernefysiske klokker på brikker som enkelt kan flyttes rundt til forskjellige steder. Dette vil være veldig nyttig for å gjøre geodesi og geologiske studier.
En artikkel som beskriver forskningen har blitt akseptert for publisering i Fysiske gjennomgangsbrev.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/
