Състезанието за ядрено време – Учените постигат важен напредък

Считани за по-точни от атомните часовници, ядрените часовници могат да предложат на учените нови начини за изследване на фундаменталните сили на Вселената. Международен екип, включващ изследователи на LMU, постигна голям напредък към това, определяйки енергията на възбуждане на торий-229, елементът, който е готов да бъде елементът за отчитане на времето в ядрените часовници. (Концептуален художник.)

Ядрените часовници могат да позволят на учените да се задълбочат във фундаменталните сили на Вселената за бъдещи изследователски начинания. Решителна стъпка напред в тази област е направена от изследователи в LMU като част от международно сътрудничество.

Атомните часовници дават време толкова точно, че печелят или губят само по-малко от една секунда на всеки 30 милиарда години. С така наречените ядрени часовници обаче времето ще може да се измерва по-точно. Освен това те могат да осигурят на учените по-задълбочено разбиране на фундаменталните физически явления.

„Говорим за силите, които държат света заедно в самата му сърцевина“, казва физикът от LMU професор Питър Тирулф, който от много години изследва ядрените часовници. За разлика от традиционните атомни часовници, този тип часовник записва силите в ядрото на атома.

„Това ще отвори цяла гама от изследователски области, които никога не биха могли да бъдат изследвани с атомни часовници“, добавя колегата на Тирулф д-р Сандро Кремер, който изигра ключова роля в придвижването на проекта напред, докато завършваше своята докторска степен в университета в Льовен в Белгия.

Питър Тирулф е изследвал ядрените часовници в продължение на много години. Кредит: Стефан Хук/LMU

В надпреварата за ядрено време Тиролф и Крамер повеждат. Работейки в катедрата по експериментална физика Garching, двамата учени постигнаха важен напредък по пътя към първия ядрен часовник като част от международен екип.

Както пишат в сп природаТе успяха да характеризират енергията на възбуждане на торий-229 с голяма точност благодарение на нов експериментален подход. Това атомно ядро ​​ще се използва като елемент за отчитане на времето за ядрени часовници в бъдеще. Точното познаване на честотата, която той трябва да възбуди, е от решаващо значение за жизнеспособността на технологията.

Най-дълбокият час

За часовник ви трябва нещо, което трепти периодично и нещо, което отчита трептенията. Дядото има механично махало, чиито вибрации се записват от часовниковия механизъм. В атомните часовници атомната обвивка действа като ограничител на времето. Електроните се възбуждат и превключват напред и назад между високи и ниски енергийни нива. След това се стига до изчисляване на честотата на светлинните частици, които се излъчват от царевица Когато възбудените електрони се върнат в основното си състояние.

Сандро Кремер изследва ядрения часовник като част от своята докторска дисертация. Сега той продължава работата си в LMU. Кредит: Стефан Хук/LMU

При ядрените часовници основният принцип е много подобен. В този случай ние проникваме в ядрото на атома, в което също могат да бъдат открити различни енергийни състояния. Ако успеем да ги възбудим точно с лазери и измерим радиацията, излъчвана от ядрото, когато се върне в основното си състояние, тогава ще имаме ядрен часовник. Трудността е, че от всички атомни ядра, известни на науката, само едно ядро ​​може да служи за тази цел: торий-229. И дори това дълго време беше чисто теоретично.

Несравнимо ядро

Това, което прави торий-229 толкова специален, е, че неговите ядра могат да бъдат поставени във възбудено състояние, използвайки относително ниска оптична честота – честота, приблизително постижима с ултравиолетови лазери. Изследванията бяха спряни в продължение на 40 години, защото въпреки че учените подозираха съществуването на атомно ядро ​​с правилните свойства, те не можаха да потвърдят тази хипотеза експериментално.

Тогава през 2016 г. изследователската група на Thirulf в LMU направи пробив, когато директно потвърди възбуденото състояние на ядро ​​от торий-229. Това постави началото на надпреварата с ядрени часовници. Междувременно много групи по света се заеха с тази тема.

За да работите с часовник, часовникът и часовникът трябва да са в перфектна хармония един с друг. В случай на ядрен часовник това означава, че трябва да знаете точната честота на трептене на атомното ядро ​​на торий 229. Само тогава можете да разработите лазер, който възбужда точно тази честота.

Само едно атомно ядро ​​има правилните свойства да развие ядрен часовник: торий-229. За да накарате часовника да тиктака, трябва да откриете точната честота на светлината, която може да го възбуди. Кредит: Стефан Хук/LMU

„Можете да си го представите като камертон“, обяснява Креймър. „Както музикален инструмент се опитва да съпостави честотата на камертон, така лазерът се опитва да достигне честотата на ядрото на тория.“

Ако опитате всички възможни честоти с различни лазери, това ще отнеме много време. Да не говорим, че лазерите трябваше да бъдат старателно разработени първо в съответния спектър на UV светлина. За да стеснят къде се намира честотата на трептене на торий-229, изследователите предприеха различен подход. „Понякога природата е милостива и ни предлага различни пътища“, казва Тирулф. Както се случва, лазерите не са единственият начин за създаване на възбудено състояние на ториево ядро. Това също се случва, когато радиоактивните ядра се разпадат на торий 229. „Така че започваме с прадядовците и прадядовците на тория, така да се каже.“

ISOLDE проправя нови пътища

Тези два прекурсора се наричат ​​франций-229 и радий-229. Тъй като нито едно от двете не се среща лесно в природата, те трябва да бъдат направени синтетично. В момента има много малко места в света, които могат да направят това. Една от тях е лабораторията ISOLDE към Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН) в Женева, правейки възможна старата мечта на алхимиците – превръщането на един елемент в друг.

За да постигнат това, учените бомбардират уранови ядра с протони, ускоряващи се до изключително високи скорости, като по този начин произвеждат различни нови ядра – включително франций и радий. Тези елементи се разпадат бързо в радиоактивното родителско ядро ​​на торий-229: актиний-229.

Kraemer, Thirolf и техните международни колеги включиха този сложно изработен актиний в специални кристали, в които актиният се разпада до торий във възбудено състояние. Когато торият се връща обратно в основното си състояние, той излъчва частици светлина, чиято честота е много важна за развитието на ядрения часовник. Доказването на това обаче не е тривиална задача.

Следващите експерименти за изследване на ядрото на торий-229 ще започнат в лабораторията на Сандро Кремер и Питър Тиролф през лятото. Кредит: Стефан Хук/LMU

„Ако ядрата не се установят точно на правилното място в кристала, нямаме шанс“, казва Креймър. „Електроните в околната среда поглъщат енергия и нищо, което можем да измерим, я извлича.“

Предишни опити да се вмъкне уран в кристалната решетка вместо актиний се провалиха при това препятствие. „Когато уран-233 се разпада на торий-229, се получава обратна реакция, която разрушава кристала“, обяснява Тирулф. За разлика от това, разграждането на актиния в торий причинява много по-малко щети, поради което изследователите са избрали този труден път за новото изследване в сътрудничество с CERN.

Упоритата работа и търпението се отплатиха: с новия си метод екипът успя да определи много точно енергията на прехода на състоянието. Те също така показаха, че е възможен базиран на торий ядрен часовник, вграден в кристал. Такива базирани на твърдо състояние часовници ще имат предимство пред други методи, тъй като ще дават резултати от измерването по-бързо, тъй като работят с по-голям брой атомни ядра.

Въпрос на време

„Сега знаем приблизителната дължина на вълната, от която се нуждаем“, казва Тирулф. Следващата задача ще бъде да се надгради върху новите открития, за да се стесни постепенно енергията на прехода. Първо, изследователите ще създадат възбуждане с помощта на лазер. И тогава те могат да продължат да канализират честотата с увеличаване точност с помощта на по-точен лазер. За да не отнема много време, те не използват пинсета, за да намерят игла в купа сено, така да се каже, а гребло.

Този рейк се нарича „честотен гребен“ и е разработен от колегата на Thirolf от LMU професор Теодор Ханш, който получи Нобелова награда по физика през 2005 г. за това постижение. Учените могат да използват гребена, за да сканират стотици хиляди дължини на вълните наведнъж, докато намерят правилната.

Все още има някои предизвикателства по пътя към ядрените часовници. Учените трябва да разберат по-добре изомера на тория, да разработят лазери и да излязат с теории. „Но си струва да се придържаме към курса“, помисли си Тирулф. „Проектът отваря толкова голям брой нови възможности за приложение в дългосрочен план, че всички експериментални усилия си заслужават“, добавя Кремер.

Тези нови възможности включват не само основни физични изследвания, но и практически приложения. Използвайки ядрения часовник, учените могат да открият дори най-малките промени в гравитационното поле на Земята, като тези, които възникват при движение на тектонични плочи или преди вулканични изригвания. С нови успехи наградата е наблизо. Прототипите може да са тук след по-малко от десет години. Двамата физици се надяват: „Може би ще ги подготвим навреме, за да предефинираме втория през 2030 г.“ Те сигнализират за планове за създаване на нова, по-прецизна стандартна дефиниция на секундата, тъй като учените използват най-новите атомни часовници – и може би дори първите ядрени часовници.

Справка: „Наблюдение на радиоактивното разпадане на 229-ия изомер на ядрения часовник“ от Сандро Кремер, Джани Моенс, Мишел Атанасакис Какламанакис, Силвия Бара, Келд-Пекс, Примадитя Читри, Катерина Крисалидис, Арно Класенс, Томас Е. Инхард Хайнке, Ниюша Хосейни, Марк Хюйсе, Ули Кьостер, Юри Кудрявцев, Мустафа Лаатиауи, Разван Лика, Гоеле Магчиелс, Владимир Манеа, Клемент Мерклинг, Лино МС Перейра, Себастиан Редер, Торстен Шум, Симон Селс, Петер. Андре Фантом, Матиас Верлинд, Ренан Виляреал и Улрих Вал, 24 май 2023 г., природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-05894-z