Nowe możliwości przyszłych zegarów jądrowych o wysokiej wydajności
Od nawigacji satelitarnej po zsynchronizowaną komunikację – precyzyjne pomiary czasu stanowią podstawę większości współczesnych technologii. Szczególne miejsce w tej dziedzinie zajmuje tor-229 (229Th) – rzadki izotop, którego wyjątkowo niski stan wzbudzony można osiągnąć za pomocą światła lasera o długości fali około 148 nanometrów. Umieszczenie go w przezroczystym krysztale, takim jak fluorek wapnia, mogłoby w przyszłości doprowadzić do powstania kompaktowych zegarów jądrowych w stanie stałym o niezwykłej dokładności. Istotnym wyzwaniem pozostaje jednak wpływ otaczających atomów kryształu na poziomy energetyczne jądra. Do tej pory nie było dokładnie wiadomo, w jaki sposób środowisko to wpływa na przejście jądrowe. Badania wspierane w ramach finansowanych przez UE projektów ThoriumNuclearClock(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz CC4DYN eliminują tę niepewność, dostarczając podstawowych danych do projektowania urządzeń pomiaru czasu nowej generacji.
Odkrycie czterech odrębnych miejsc krystalicznych
Badacze z Austrii, Japonii i Szwajcarii zbadali izotop 229Th osadzony w kryształach fluorku wapnia. Wykorzystując laser z zakresu próżniowego ultrafioletu, zespół przeprowadził spektroskopię laserową Mössbauera, przenosząc na zakres optyczny technikę tradycyjnie wykorzystywaną do badania fizycznego i chemicznego otoczenia jąder atomowych. Specjalnie skonstruowany detektor tłumił promieniowanie tła, umożliwiając pomiar słabych sygnałów jądrowych z dużą precyzją. Opublikowane w czasopiśmie „Science” wyniki badań(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wskazują, że izotop 229Th zajmuje cztery odrębne mikroskopijne miejsca w sieci krystalicznej, z których każde charakteryzuje się innym lokalnym polem elektrycznym. Łącząc spektroskopię z obliczeniami opartymi na teorii funkcjonalnej gęstości, zespół przypisał modele mikroskopowe do dwóch dominujących miejsc, które łącznie stanowiły ponad 90% wykrytego sygnału w zakresie próżniowego ultrafioletu. „Analizując widma jądrowe dla poszczególnych miejsc, ustaliliśmy najlepszą metodę badania tego, w jaki sposób atomy 229Th są wbudowywane w ciało stałe oraz jak ich bezpośrednie otoczenie wpływa na przejście jądrowe”, stwierdza główny autor badania, Takahiro Hiraki, adiunkt na Uniwersytecie w Okayamie w Japonii, w komunikacie prasowym(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opublikowanym na stronie internetowej uczelni. „Informacje te są niezbędne do zrozumienia i projektowania środowisk krystalicznych potrzebnych do tworzenia przyszłych zegarów jądrowych w stanie stałym”.
Projektowanie kryształów w celu zwiększenia wydajności
Poza identyfikacją poszczególnych miejsc badacze zastosowali ich selektywne wzbudzanie, aby porównać zachowanie stanów jądrowych w różnych środowiskach krystalicznych. Czas życia promieniowania stanu wzbudzonego okazał się stały i wynosił około 630 sekund we wszystkich miejscach, ale skuteczność, z jaką światło lasera wygasiło ten stan, znacznie się między nimi różniła. Ta zmienność ma znaczenie, ponieważ decyduje o tym, jak dobrze kryształ może utrzymać wzbudzenie jądrowe, które zasila zegar. „Duże różnice w wygaszaniu między poszczególnymi miejscami wskazują, że lokalne środowisko krystaliczne nie jest jedynie biernym nośnikiem”, zauważa starszy autor badania, Koji Yoshimura, profesor Uniwersytetu w Okayamie. „Określenie, które struktury zachowują wzbudzenie jądrowe, a które sprzyjają jego utracie, pomoże nam ustalić, jak przygotować kryształy o lepszej wydajności”. Badanie, wspierane w ramach projektów ThoriumNuclearClock (Thorium nuclear clocks for fundamental tests of physics) oraz CC4DYN (A quantum chemical approach to dynamic properties of real materials), potwierdza, że laserowa spektroskopia Mössbauera jest niezawodną metodą ujawniania mikroskopijnych środowisk toru w ciałach stałych. Stanowi ona tym samym podstawę do budowy kompaktowych zegarów, które mogłyby przyczynić się do rozwoju nawigacji, zsynchronizowanej komunikacji oraz nowych form precyzyjnych pomiarów. Więcej informacji: strona internetowa projektu ThoriumNuclearClock(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projekt CC4DYN
