Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) opracowali innowacyjne metody wzbudzania izomeru toru-229, co może zrewolucjonizować technologię zegarów atomowych i wyznaczać nowe standardy pomiaru czasu. Ich najnowsza publikacja w prestiżowym czasopiśmie Physical Review C opisuje szczegóły procesu, który może umożliwić wykorzystanie tego izotopu do konstrukcji zegarów o jeszcze wyższej precyzji.
Zegary atomowe stanowią obecnie najdokładniejsze urządzenia do pomiaru czasu. Działają na zasadzie pomiaru częstotliwości rezonansowych atomów, takich jak cez-133 czy rubid-87. W wyniku precyzyjnych badań ustalono, że częstotliwość przejścia stanów energetycznych tych atomów jest niezwykle stabilna – co pozwala na osiągnięcie dokładności rzędu 10⁻¹⁶. Takie zegary służą m.in. do wyznaczania sekundy w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (SI). Jednak naukowcy dążą do jeszcze większej precyzji, sięgającej 10⁻¹⁸–10⁻¹⁹, co umożliwiłoby pomiary z dokładnością do opóźnienia o sekundę co setki milionów lat – czyli na poziomie czasów Wszechświata.
Izotop toru-229 jako potencjalny kandydat na nowy standard
Na drodze do tego celu pojawił się izotop toru-229, którego wyjątkowe właściwości zwróciły uwagę naukowców. Najbardziej interesującym jego stanem jest metastabilny izomer 229mTh, którego energia wzbudzenia względem stanu podstawowego wynosi około 8 eV – dużo mniej niż w przypadku innych pierwiastków. Co więcej, dokładne pomiary energii tego stanu (około 8,36 eV) umożliwiły naukowcom precyzyjne zbadanie mechanizmów jego wzbudzania.
Techniki wzbudzania izomeru toru-229
Wzbudzenie izomeru 229mTh z poziomu podstawowego jest wyzwaniem, ponieważ wymaga specjalistycznych metod manipulacji jonami. NCBJ zaproponowało wykorzystanie zaawansowanych technik, takich jak:
- Wychwyt elektronu (NEEC) – nuclear excitation by electron capture, czyli przechwytywanie elektronu w celu wzbudzenia jądra.
- Rozpraszanie nieelastyczne (NEIES) – inelastyczne rozpraszanie elektronów, które może przekazać energię do jądra.
- Rezonans elektronowy – precyzyjne dopasowanie energii elektronów do poziomu wzbudzenia.
- Transfer elektronów (NEET) – wzbudzenie jądra poprzez transfer elektronów w warunkach rezonansu.
Spośród tych metod szczególnie interesującym jest proces NEET, polegający na przekazaniu energii elektronom, które mają bardzo zbliżone do energii wzbudzenia jądra. To otwiera nowe możliwości w badaniach i produkcji izomeru toru-229 w warunkach eksperymentalnych.
Wyniki badań i perspektywy eksperymentalne
Naukowcy z NCBJ przeprowadzili rozbudowane symulacje, analizując ponad 1800 stanów energetycznych i niemal 62 000 przejść elektronowych w jonach toru-229 z różnymi ładunkami. Wybrali jon 229mTh^39+ jako najbardziej korzystny do badania procesu NEET, ustalając, że energia wzbudzenia tego stanu wynosi około 8,31 eV. Obliczenia wskazały, że w rezonansie można osiągnąć niezwykle wysoką efektywność wzbudzeń – nawet do 2,5×10¹⁶ na sekundę, a w optymalnych warunkach – nawet 5×10²⁰.
Współpracujący z zespołem eksperci zaproponowali eksperyment z użyciem urządzenia typu EBIT (Electron Beam Ion Trap), które pozwoliłoby na kontrolowane wzbudzanie jądra toru-229 w ekstremalnie precyzyjnych warunkach. Szacuje się, że w idealnych warunkach można uzyskać nawet 5×10²⁰ wzbudzeń na sekundę, co znacząco wykracza poza obecne możliwości technologiczne.
Rewolucja w pomiarze czasu i przyszłe zastosowania
Osiągnięcie skutecznego wzbudzenia izomeru toru-229 i kontrola nad tym procesem może umożliwić stworzenie zegarów atomowych o niespotykanej dotąd precyzji. Według autorów pracy, takie urządzenia mogłyby działać z dokładnością do 10⁻¹⁸ lub nawet 10⁻¹⁹, co pozwoliłoby na pomiary nie tylko czasu, lecz także na badanie fundamentalnych stałych fizycznych i zjawisk kwantowych.
Co więcej, badania nad izomerem toru-229 mogą posłużyć do głębszego zrozumienia oddziaływań jądrowo-elektronowych oraz rozwoju nowych technik manipulacji atomami i jonami, co ma potencjał do zrewolucjonizowania technologii pomiarów i komunikacji kwantowej.
Prace zespołu z NCBJ otwierają nowe perspektywy w dziedzinie precyzyjnych zegarów atomowych oraz badań nad jądrem atomowym. Dzięki możliwości kontrolowanego wzbudzania izomeru toru-229 z poziomu podstawowego, naukowcy zbliżają się do stworzenia urządzeń o niespotykanej dotąd dokładności, które mogą zmienić sposób, w jaki mierzymy czas i rozumiemy fundamentalne zjawiska w fizyce.
Źródło: K. Kozioł, J. Rzadkiewicz, “Nuclear excitation by near-resonant electron transitions in 229Th39+ ions”, Phys. Rev. C, 111, 064302, DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevC.111.064302
Foto: Zegar atomowy w NIST (National Institute of Standards and Technology) bazujący na izotopie iterbu. Źródło: Burrus/NIST
Czytaj także:
NCBJ doceniony w rankingu Global 2000
