Дослідники вперше за допомогою лазера змінили квантовий стан ядра атома торію – цього прориву чекали десятиліття.
Фізики з Віденського технічного університету та Національного інституту метрології Брауншвейга вперше за допомогою лазера змінили енергетичний стан атомного ядра, а потім точно виміряли енергію переходу. Це відкриття об’єднує квантову і ядерну фізику, відкриваючи шлях для створення надточного ядерного годинника.
Маніпулюючи атомами або молекулами за допомогою лазера, фізики вміють перемикати квантові стани. Однак довгий час здавалося неможливим застосувати ці методи до атомних ядер.
Ще в 1970-ті роки фізики припустили, що може існувати особливе атомне ядро торій-229, яким легко маніпулювати за допомогою лазера. Два енергетичні стани в нього настільки близько розташовані, що достатньо лазера для перемикання між ними. Але довгий час ученим не вдавалося розрахувати правильну енергію для переходу.
Фізики розробили кристали, в які включено велику кількість атомів торію. Хоча це було складно реалізувати технічно, кристали давали змогу вражати лазером приблизно 10 ядер торію одночасно. Велика кількість ядер торію посилила ефект, скоротивши необхідний час вимірювання і збільшивши ймовірність виявлення енергетичного переходу – енергії, необхідної для переходу.
21 листопада 2023 року вчені вперше досягли успіху: вони підібрали правильну енергію переходу торію і зафіксували чіткий сигнал. Лазерний промінь змінив стан атомного ядра. Після ретельного вивчення та оцінки результатів, інформація про відкриття опублікована в журналі Physical Review Letters.
Атомні ядра – ідеальні квантові об’єкти для точних вимірювань: вони набагато менші за атоми і молекули і тому набагато менш сприйнятливі до зовнішніх збурень, таких як електромагнітні поля. Тому вимірювання можна буде проводити з безпрецедентною точністю, пояснюють автори дослідження.
Керуючи переходами, можна з рекордно високою точністю виміряти час і створити ядерний годинник. Крім того, гравітаційне поле Землі теоретично можна буде проаналізувати настільки точно, що можна буде вказати на наявність мінеральних ресурсів або землетрусів. Також цей метод підійде для перевірки незмінності фізичних констант.