Фізики запевняють, що нарешті наблизилися до створення ядерного годинника – найточнішої системи вимірювання часу у всьому світі.
Найточніші з існуючих годин засновані не на кварцовому механізмі, а на «цоканні» електронів в атомній оболонці. Кращі з таких атомних годинників настільки точні, що вони не втратили б ні секунди за мільярди років з моменту виникнення Всесвіту.
Однак існує потенційно новий вид годинника, який може поліпшити цю точність на порядок, до однієї частини з 1019. Вони засновані на змінах всередині ядер ізотопу торію, але, хоча ідея вперше з’явилася ще в 2003 році, втілити її в життя виявилося проблематично. Але недавно вчені знайшли спосіб нового виміру «цокання» ядра торію-229, що наближає нас до втілення мрії про ідеальний ядерний годинник.
- Нова розробка Китаю: легкі сонячні панелі, які приклеюються до даху
- Нове екопокриття для космічних кораблів за структурою нагадує морські черепашки
«Для стану 229mTh було запропоновано безліч додатків і досліджень, від ядерного гамма-лазера, високоточних і стабільних іонних ядерних годин до компактних твердотільних ядерних годин», – пишуть дослідники в своїй статті.
«Такі годинники дозволили б досягти нового рівня точності в дослідженнях фундаментальної фізики: від зміни фундаментальних констант до пошуку темної матерії або перетворення таких годин в детектор гравітаційних хвиль. Їх можна використовувати в різноманітних областях, таких як геодезія або супутникова навігація ».
Але як працює атомний годинник? Що ж, для початку атоми певного елемента, такого як стронцій або ітербій, опромінюють лазерами. Це збуджує електрони в атомних оболонках, змушуючи їх коливатися між двома енергетичними станами. Ці коливання виробляються переходами між рівнями енергії, які порушуються електромагнітним випромінюванням певної довжини.
Ядерний годинник повинен працювати за тим же принципом, за винятком того, що замість електронів коливається саме ядро. Але більшість атомних ядер мають занадто високою енергією переходу, від кілоелектронвольт до мегаелектронвольт. Щоб збудитися досить для того, щоб коливатися, цим ядрам потрібна значна кількість енергії, що робить їх вкрай непрактичними в приладах, що вимірюють час. У нас просто немає лазерних технологій, здатних працювати з таким рівнем енергії.
Помітним винятком тут є торій-229. З тисяч різновидів атомних ядер збуджений стан ядра торію-229, безумовно, є найнижчим з відомих в електронвольтному діапазоні. Вона настільки низька, що його можна викликати за допомогою звичайного ультрафіолетового випромінювання!
Так в чому ж проблема? Щоб визначити точну довжину хвилі ультрафіолетового світла, необхідну для збудження ядра, нам необхідно виміряти точну різницю енергії між основним станом і збудженим. Було зроблено кілька спроб цих вимірів, і кожна з них трохи звузила коло питань. Однак нова робота фізика Томаса Сікорського з Гейдельберзького університету в Німеччині виявилася точніше всіх попередніх.
- На думку глави SpaceX людині потрібно терміново інтегруватися з комп’ютером
- Через 30 років кіборги стануть головними на планеті
Команда виміряла гамма-випромінювання, коли ізотоп урану-333 розпався на різні ізомери або молекулярні конфігурації торію-229, включаючи бажаний метастабільний ізомер торій-229m. Цей метод використовувався і раніше, генеруючи 7,6 МеВ і 7,8 МеВ в 2007 і 2009 роках відповідно.
Однак команда Сікорського використовувала новий, більш точний метод вимірювання гамма-випромінювання. Як гамма-спектрометр вони розробили кріогенний магнітний мікрокалориметр. Гамма-випромінювання потрапляє на поглинаючу пластину і перетворюється в тепло. Потім це перетворюється у зміну намагніченості датчиків, яке може бути переведено в енергію переходу.
За допомогою цього нового методу вимірювання команда виявила, що енергія переходу становить 8,1 МеВ, що відповідає довжині хвилі збудження 153,1 нанометра. Це дуже близько до вимірювань, виконаним торік з використанням іншої техніки, які показали, що енергія становить 8,28 МеВ, що відповідає довжині хвилі 149,7 нм.
Отже, ми, здається, наближаємося до розуміння того, що лазери в цьому діапазоні довжин хвиль не неможливі – нам просто потрібно їх побудувати.
Оскільки, як відзначили дослідники, єдина невизначеність є статистичною, виконання великої кількості вимірювань має значно знизити цю невизначеність. А це, в свою чергу, означає, що у людства з’явився нарешті шанс створити найточніший годинник у світі.
Натхнення: www.popmech.ru