Noile rezultate sugerează posibilitatea combinării fizicii cuantice clasice cu fizica nucleară

Fizicienii speră de mult timp la acest moment: de mulți ani, oamenii de știință din întreaga lume caută un caz foarte specific de nuclee atomice de toriu care promite aplicații tehnologice revoluționare. Ele ar putea fi folosite, de exemplu, pentru a construi un ceas nuclear care poate măsura timpul mai precis decât cele mai bune ceasuri atomice disponibile astăzi. De asemenea, poate fi folosit pentru a răspunde la întrebări fundamentale complet noi din fizică, de exemplu, întrebarea dacă constantele naturii sunt de fapt constante sau dacă se modifică în spațiu și timp.

Acum, acea speranță a devenit realitate: a fost descoperită transformarea mult așteptată a toriului, iar energia acestuia este acum cunoscută cu precizie. Pentru prima dată, a fost posibil să se folosească lasere pentru a muta un nucleu atomic într-o stare de energie mai mare și apoi pentru a urmări cu exactitate revenirea lui la starea inițială.

Acest lucru face posibilă combinarea a două domenii ale fizicii care anterior aveau prea puțin de-a face una cu cealaltă: fizica cuantică clasică și fizica nucleară. O condiție prealabilă pentru obținerea acestui succes a fost dezvoltarea de cristale speciale care conțin toriu.

Acum, o echipă de cercetare condusă de profesorul Thorsten Schumm de la TU Wien (Viena) a făcut acest lucru. publicat Acest succes este în colaborare cu o echipă de la Institutul Național de Metrologie din Braunschweig (PTB) în revista Scrisori de revizuire fizică.

Comutarea stărilor cuantice

Manipularea atomilor sau moleculelor cu un laser este obișnuită astăzi: dacă lungimea de undă a laserului este aleasă corect, atomii sau moleculele pot fi convertite dintr-o stare în alta. În acest fel, energiile atomilor sau moleculelor pot fi măsurate foarte precis. Multe tehnici de măsurare precise se bazează pe aceasta, cum ar fi ceasurile atomice actuale, precum și metodele de analiză chimică. Laserele sunt adesea folosite în calculatoarele cuantice pentru a stoca informații în atomi sau molecule.

Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă de timp a părut imposibil să se aplice aceste tehnici la nucleele atomice.

„Un nucleu atomic poate, de asemenea, trece între diferite stări cuantice”, spune Schumm „Cu toate acestea, de obicei, este nevoie de mult mai multă energie pentru a schimba un nucleu atomic dintr-o stare în alta – de cel puțin o mie de ori energia electronilor dintr-un atom sau. moleculă.” „De aceea nucleele atomice nu pot fi manipulate cu un laser. Energia fotonilor pur și simplu nu este suficientă”.

Acest lucru este regretabil, deoarece nucleele atomice sunt de fapt obiecte cuantice ideale pentru măsurători precise: sunt mult mai mici decât atomii și moleculele și, prin urmare, mai puțin sensibile la perturbații externe, cum ar fi câmpurile electromagnetice. În principiu, va permite măsurători cu o precizie fără precedent.

Acul din carul de fan

Începând cu anii 1970, s-a speculat că ar putea exista un nucleu atomic special, care, spre deosebire de alte nuclee, ar putea fi manipulat de un laser, și anume toriu-229. Acest nucleu are două stări de energie atât de apropiate încât ar putea intra un laser principiul să fie suficient pentru a schimba starea nucleului atomic.

Dar pentru o lungă perioadă de timp, au existat doar dovezi indirecte ale existenței acestei schimbări. „Problema este că trebuie să cunoașteți energia transformării foarte precis pentru a putea crea transformarea cu un fascicul laser”, spune Schumm.

„Cunoașterea energiei acestei tranziții la un electron volt nu ar fi de mare folos dacă ar trebui să accesați energia corectă cu o precizie de o milioneme de electron volt pentru a detecta tranziția.” Este ca și cum ai căuta un ac într-un car de fân sau ai încerca să găsești un mic cufăr de comori îngropat pe o insulă lungă de un kilometru.

Truc cu cristale de toriu

Unele grupuri de cercetare au încercat să studieze nucleele de toriu ținându-le individual în capcane electromagnetice. Cu toate acestea, Shum și echipa sa au ales o abordare complet diferită.

„Am dezvoltat cristale în care sunt încorporați un număr mare de atomi de toriu”, explică Fabian Schaden, care a dezvoltat cristalele la Viena și le-a măsurat în colaborare cu echipa PTB.

„Deși acest lucru este foarte complex din punct de vedere tehnic, are avantajul că nu numai că putem studia nucleele individuale de toriu în acest fel, dar putem și lovi aproximativ 10 la puterea a 17 nuclee de toriu simultan cu un laser – adică aproximativ un milion. ori.” Mai mult decât stelele din galaxia noastră.

Numărul mare de nuclee de toriu amplifică efectul, scurtând timpul necesar de măsurare și crescând probabilitatea de a găsi efectiv tranziția energetică.

Pe 21 noiembrie 2023, echipa a reușit în sfârșit: energia corectă pentru tranziția toriu a fost atinsă exact, iar nucleele de toriu au transmis pentru prima dată un semnal clar. Raza laser a schimbat deja starea. După o examinare și o evaluare atentă a datelor, rezultatul a fost acum publicat.

„Pentru noi, acesta este un vis devenit realitate”, spune Shum. Din 2009, Schaum și-a concentrat cercetările în întregime pe cercetarea transportului de toriu. Grupul său, precum și echipele concurente din întreaga lume au obținut în mod repetat succese parțiale importante în ultimii ani.

„Desigur, suntem încântați că suntem acum capabili să realizăm descoperirea decisivă: prima excitare laser țintită a unui nucleu atomic”, spune Schumm.

Vis la ceasul nucleului atomic

Acesta marchează începutul unei noi ere interesante a cercetării: acum că echipa știe cum să excite starea de toriu, tehnica poate fi folosită pentru a face măsurători precise. „De la început, construirea unui ceas atomic a fost un obiectiv important pe termen lung”, spune Schumm.

„Asemănător modului în care un ceas cu pendul folosește oscilația pendulului ca temporizator, oscilația luminii care excită transmiterea toriului ar putea fi folosită ca temporizator pentru un nou tip de ceas care ar fi mult mai precis decât cel mai bun atom atomic. ceasuri disponibile astăzi.”

Dar nu numai timpul poate fi măsurat în acest fel mai precis decât înainte. De exemplu, câmpul gravitațional al Pământului poate fi analizat atât de precis încât poate oferi indicații despre resurse minerale sau cutremur. Metoda de măsurare poate fi folosită și pentru a accesa misterele fundamentale ale fizicii: Sunt constantele naturii cu adevărat constante? Sau pot fi măsurate mici modificări în timp?

„Metoda noastră de măsurare este doar începutul”, spune Shum. „Nu putem prevedea încă ce rezultate vom obține cu el va fi cu siguranță foarte interesant.”