Excitarea cu laser a nucleelor de toriu-229 duce la o tranziție a nucleului la o stare izomerică ce are o energie foarte scăzută, 8,35574 eV.
P. Thirolf/LMU; adapted by APS/A. Stonebraker

Dacă ai cunoștință de energia necesară, poți provoca trecerea de la un nivel energetic la altul a unui electron. Aplicând metoda potrivită, cunoscând frecvența de rezonanță a atomilor, cu ajutorul luminii, poți crea un ceas atomic, cel mai precis tip de instrument de măsură a timpului de care dispunem astăzi, care are o eroare de o secundă la circa 30 de milioane de ani, al cărui mecanism este explicat aici.

Recent, o echipă de cercetători de la Universitatea Tehnică din Viena (TU Wien) condusă de profesorul Thorsten Schumm a publicat o lucrare în care arată că au demonstrat experimental excitarea nucleului atomului de toriu-229, ceea ce reprezintă un vis al fizicienilor din anii '70 ai secolului trecut.

Manipularea atomilor și moleculelor cu laser este o tehnică bine-cunoscută în lumea fizicii. Dacă lungimea de undă a laserului este aleasă cum trebuie, atunci moleculele/ atomii trec de la o stare la alta (electronii fac salturi de pe un nivel energetic pe altul superior și înapoi, cu eliberarea de fotoni).

În cazul nucleului atomic, dificultatea cunoscută de către fizicieni era următoarea: pentru a manipula nucleul atomilor ai nevoie de mult mai multă energie decât cea care se credea că este posibil a fi transmisă cu ajutorul laserului.

O altă dificultate este ce privitoare la energia necesară a fi transmisă către nucleu pentru a provoca tranziția acestuia. Cu alte cuvinte, trebuie să cunoști exact energia necesară a fi transmisă către nucleu cu ajutorul laserului. Energia se poate transmite în pachete discrete (care pot lua doar anumite valori; creșterea nu este una continuă, urmând un șir numeric), dar diferențele de energie între un pachet și cel superior este extrem de mică.

Cristalul cu toriu-229

Ideea care a dus la progresul menționat a constat în inventarea unui mecanism care să dea rezultate. În loc să folosească, așa cum se mai încercase, capcane magnetice, cercetătorii de la universitatea vieneză au adoptat o tehnică diferită: au creat cristale cu circa 1017 atomi de toriu-229 în interiorul acestora.

„Bombardând” cu laser un număr atât de mare de nuclee de toriu, s-au maximizat șansele de reușită în ceea ce privește identificarea energiei de tranziției a nucleului atomic.

Tranziția nucleară a fost observată la o lungime de undă de 148.3821(5) nm (când nucleele revin la starea energetică fundamentală, emit fotoni cu o lungime de undă de 148,3821 nm), căreia îi corespunde o energie de 8,35574(3) eV. 

În fapt, primele succese în excitarea toriului-229 au fost obținute pe 21 noiembrie 2023. După analize repetate, cercetătorii au devenit convinși că reușiseră incredibilul: excitarea laser a nucleului atomului de toriu-229.

Spre cel mai precis ceas din lume - ceasul nuclear

Nucleele atomice sunt obiecte cuantice perfecte pentru măsurarea timpului, pentru că acestea sunt mult mai mici decât atomii (cu circa 5 ordine de mărime) și sunt mai puțin susceptibile la perturbări externe.

Prin urmare, oscilația luminii care excită tranziția nucleului atomului de toriu-229 ar putea fi utilizată pentru construirea unor ceasuri nucleare, care ar fi mult mai precise decât cele atomice, care, cum spuneam la începutul articolului, sunt oricum incredibil de precise, cu abateri infime stabilite pe durate de milioane de ani.

Pentru a dezvolta efectiv un ceas nuclear ultraprecis, cercetătorii vor trebui să îmbunătățească precizia frecvenței laserului ce controlează tranziția nucleului atomic cu 6 ordine de mărime, ceea ce reprezintă o provocare formidabilă. Astfel, s-ar reuși construirea unor ceasuri nuclear de 10 ori mai precise decât cel mai precis ceas atomic.

O altă utilizare a reușitei cercetătorilor din Viena ar fi o mai precisă analiză a constantelor naturii: poate că acestea nu sunt totuși constante, ci evoluează odată cu evoluția universului.

În fine, ceasul nuclear ar putea fi utilizat ca un senzor cuantic, pentru că ar putea fi folosit pentru măsurători care implică interacțiunea nucleară tare.

Surse:
* Atomic nucleus excited with laser
* Shedding light on the thorium-229 nuclear clock isomer

Write comments...
symbols left.
Ești vizitator ( Sign Up ? )
ori postează ca „vizitator”
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.