Физики впервые получили и измерили энергетический переход атомного ядра
Впервые перевод атомного ядра тория с помощью лазера в состояние с более высокой энергией и точное определение его возвращения в исходное состояние осуществила команда исследователей Венского технического университета (TU Wien) и Физико-технического федерального университета Брауншвейга (PTB), 29 апреля сообщает пресс-служба TU Wien.
В течение многих лет ученые всего мира искали очень специфическое состояние ядер атомов тория, которое обещало возможность больших технических применений, а также новых открытий в области фундаментальной физики. Его, например, можно было бы использовать для создания ядерных атомных часов, которые позволят более точно измерять время, чем существующие в настоящее время атомные часы.
Австрийские и немецкие физики сумели с помощью лазера совершить долгожданный ториевый переход с точным определением его энергии: они целенаправленно перевели атомное ядро в состояние более высокой энергии, а затем внимательно следили за его возвращением в исходное состояние.
Это событие станет началом объединения двух областей физики — классической квантовой и ядерной. Решающим фактором для этого стала разработка специальных торийсодержащих кристаллов.
Исследовательская группа под руководством профессора Торстена Шумма из TU Wien представила подробности своего успеха, достигнутого вместе с командой из PTB, в статье «Лазерное возбуждение ядра Th-229», опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Манипулирование атомами или молекулами с помощью лазеров в настоящее время является обычным явлением в научных исследованиях: если длина волны лазера выбрана правильно, вы можете заставить атомы или молекулы переходить из одного состояния в другое. С помощью такой технологии можно очень точно измерять энергии атомов или молекул.
На таком переходе основаны многие методы точных измерений, например, на нем основана работа современных атомных часов, а также методы химического анализа. В квантовых компьютерах лазеры часто используются для записи и считывания информации в атомах или молекулах. Однако долгое время казалось невозможным применить эти методы к атомным ядрам.
Профессор Торстен Шумм пояснил: «Атомные ядра также могут принимать разные квантовые состояния. Но чтобы заставить атомное ядро перейти из одного состояния в другое, обычно требуется гораздо больше энергии — как минимум в тысячу раз больше энергии, с которой нам приходится иметь дело с электронами в атоме или в молекуле. По этой причине атомными ядрами обычно нельзя манипулировать с помощью лазеров; энергии фотонов просто недостаточно».
Однако атомные ядра представляют собой идеальные квантовые объекты для прецизионных измерений, поскольку они намного меньше атомов и молекул, что делает их значительно менее восприимчивыми к внешним помехам, например, таким как электромагнитные поля. Это позволит проводить измерения с ранее недостижимой точностью.
Предположения, что атомное ядро тория-229 позволит манипулировать своим состоянием с помощью лазера, высказывались еще в 1970-х годах. Они были основаны на том, что у этого ядра есть два настолько близких энергетических состояния, что, в принципе, энергии лазера должно быть достаточно для изменения его состояния. Однако до настоящего времени были лишь косвенные доказательства существования такого перехода.
Некоторые исследователи, пытаясь изучать ядра тория, помещали их по отдельности в электромагнитные ловушки, но команда Торстена Шумма пошла другим путем. Аспирант TU Wien Фабиан Шаден, проводивший исследования совместно со специалистами из PTB, рассказал:
«Мы разработали кристаллы, в которые специально включены в большом количестве атомы тория. Это технически очень сложно, но тут есть то преимущество, что таким образом мы не только изучаем отдельные ядра тория, но и можем одновременно воздействовать лазером на приблизительно 10¹⁷ ядер тория, что примерно в миллион раз больше, чем звезд в нашей галактике. Большое количество ядер тория усиливает эффект, необходимое время измерения сокращается, а вероятность действительно обнаружить искомый энергетический переход увеличивается».
В ноябре 2023 года команда добилась успеха — они точно подобрали необходимую для ториевого перехода энергию, и ториевые ядра впервые подали четкий сигнал о нем. Таким образом, лазерный луч целенаправленно переключил энергетическое состояние ядра Th-229.
Теперь для исследователей началась следующая часть работы: зная, как возбудить состояние тория, это можно использовать для прецизионных измерений. «С самого начала создание атомных часов было важной долгосрочной целью, — указал Торстен Шумм. — Подобно тому как маятниковые часы используют колебание маятника в качестве таймера, можно было бы использовать колебания света, стимулирующие переход тория, в качестве таймера для часов нового типа, которые были бы значительно более точными, чем лучшие атомные часы, доступные сегодня».
Но измерять таким способом, гораздо точнее, чем раньше, можно не только время, но и многие другие физические величины. Можно было бы, например, настолько точно проанализировать гравитационное поле Земли, чтобы получить данные о минеральных ресурсах в ее недрах или возможных землетрясениях.
Есть надежда, что с помощью нового метода измерения можно будет раскрыть такую фундаментальную загадку физики, как постоянность природных констант. Может быть существуют очень малые их изменения, которые исследователи уловят этим новым методом?
«Наш метод измерения — это только начало, — уверен Торстен Шумм. — Мы пока не можем предсказать, каких результатов мы добьемся с его помощью. Это, безусловно, будет очень захватывающе».
