En kärnklocka baserad på torium-229 är ett steg närmare nu när forskare i Tyskland och Österrike har visat att de kan försätta isotopens kärnor i ett lågt belägna metastabilt tillstånd.

Den exceptionellt låga 8 eV excitationsenergin motsvarar ljuset i vakuumet ultraviolett, som kan genereras av en laser. Som ett resultat kan övergången användas för att skapa en exakt klocka. En sådan kärnklocka skulle i princip vara mer stabil än befintliga atomur eftersom den skulle vara mycket mindre mottaglig för omgivningsbuller. En kärnklocka kan också vara mer praktisk eftersom den till skillnad från en atomklocka kan vara en helt solid state-enhet.

Denna höga noggrannhet och stabilitet gör det dock svårt att observera och excitera denna övergång eftersom det inblandade ljuset har en mycket smal bandbredd och kan vara svårt att hitta. Det var faktiskt bara förra året som forskare vid CERN gjorde det första direkta mätningen av fotoner från övergången, medan övergångens existens bekräftades 2016.

Lägre kostnad laser

Thorium-229 är inte de enda kärnorna som utforskas för användning i en kärnklocka. Jobba på scandium-45 är ytterligare avancerat, men denna kärna har en övergångsenergi på 12.4 keV. Det betyder att den skulle behöva paras ihop med en röntgenlaser för att skapa en klocka – och sådana lasrar är stora och dyra.

Den nya forskningen gjordes av ett samarbete mellan fysiker från Federal Physical and Technical Institute i Braunschweig, Tyskland, och Wiens tekniska universitet i Österrike. En av teammedlemmarna är Ekkehard Peik, som kom på idén om en kärnklocka för tjugo år sedan.

Kärn- och atomur fungerar på ungefär samma sätt. Övergången av intresse exciteras av en laser (eller maser) och det emitterade ljuset skickas till en återkopplingskontrollmekanism som låser laserns frekvens till övergångens frekvens. Den extremt stabila frekvensen hos laserljuset är klockans utsignal.

De första klockorna (och den nuvarande internationella tidsstandarden) använder mikrovågor och cesiumatomer, medan de bästa klockorna idag (kallade optiska klockor) använder ljus och atomer inklusive strontium och ytterbium. Optiska atomklockor är så tillförlitliga att även efter miljarder år skulle de vara ute med bara några millisekunder.

Mindre är bättre

En stor del av denna prestanda beror på hur atomerna fångas och skyddas från elektromagnetiskt brus – vilket är en betydande experimentell utmaning. Däremot är kärnorna mycket mindre än atomer, vilket innebär att de har mycket mindre interaktion med elektromagnetiskt brus. I själva verket, istället för att isoleras i en fälla, kunde klockkärnor vara inbäddade i ett fast material. Detta skulle avsevärt förenkla klockdesignen.

I sitt experiment dopade de österrikiska och tyska fysikerna kalciumfluoridkristaller med torium-229 kärnor, som de fick från ett kärnvapennedrustningsprogram i USA. De toriumdopade kristallerna var bara några millimeter tvärs över. De använde sedan en bordslaser för att excitera torium-229 till det önskade lågenergitillståndet. Denna excitation bekräftades med en teknik som kallas resonansfluorescens, vilket innebär att detektera fotoner som emitteras när de exciterade kärnorna sönderfaller tillbaka till grundtillståndet.

Kärnkraftsklockor: varför ett experiment vid CERN för dem närmare verkligheten

"Denna forskning är ett mycket viktigt steg i utvecklingen av en nukleär klocka," säger Piet Van Duppen från KU Leuven i Belgien, som arbetar med kärnkraftsklockor. ”Det bevisar att denna utveckling är tekniskt möjlig, även för halvledarklockor. Vi antog att laserexcitering av kärnövergången skulle vara detekterbar i optiska fällor, men fram tills nu fanns det tvivel om detta också var fallet i solid-state kristaller."

Potentiella tillämpningar för framtidens kärnklockor ligger främst i upptäckten av små tidsvariationer som kan peka på ny fysik bortom standardmodellen. Detta kan innefatta variationer i de grundläggande krafterna och konstanterna. I synnerhet skulle klockorna kunna avslöja ny fysik genom att leta efter variationer i kärnkraften, som binder samman kärnor och i slutändan definierar klockfrekvensen. Som ett resultat kunde kärnklockor kasta ljus över några av de stora mysterierna inom fysiken, såsom mörk materiens natur,

Klockorna kan också användas för att mäta tidsutvidgning på grund av skillnader i jordens gravitationskraft. Detta skulle kunna göras med hjälp av miniatyr och mycket mobila kärnkraftsklockor på chips som lätt kunde flyttas runt till olika platser. Detta skulle vara mycket användbart för att göra geodesi och geologiska studier.

En artikel som beskriver forskningen har godkänts för publicering i Fysiska granskningsbrev.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/