Постріли; прискорення в перегонах; ядерний годинник - Sciences et Avenir

Опубліковано 13.11.2020 о 11:13

Нові результати підкреслюють значний прогрес у змаганні за "ядерний годинник", модель годинника, яка, якщо буде життєздатною, забезпечить у десять разів більшу точність вимірювання часу, ніж поточний атомний годинник.

Художник ілюстрація атома.

Пьотр Сєдлецький/Creative Commons

Чи знали ви, що атомний годинник сповільнюватиметься менш ніж на секунду, якщо працюватиме протягом 15 мільярдів років - більше, ніж вік Всесвіту? Наші кварцові годинники отримують або втрачають в середньому одну секунду кожні два місяці! У цьому вся суть атомних годин: вимірювання часу з надзвичайною точністю, необхідною для належного функціонування багатьох технологій у нашому повсякденному житті, від GPS до Інтернету, включаючи програмне забезпечення для банківських транзакцій.

Насправді все, що викликає повторювані рухи, може служити годинником. Атоми, які мають власну частоту, зокрема. Перші годинники, засновані на переходах між енергетичними рівнями атомів, були розроблені в 1950-х рр. Переконавшись у точності та неперевершеній стійкості цих пристроїв, Міжнародне бюро мір та ваг ухвалило у 1967 р. Рішення щодо свого визначення другого: він відповідає до "тривалості 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідають переходу між надтонкими рівнями F = 3 і F = 4 основного стану 6S½ атома цезію 133". вибачте ?

Від електронів до ядра

Звичайно, речі можна подати простіше: коли атом цезію бомбардується енергією, наприклад, за допомогою простого електромагнітного сигналу він вібрує. В атомі енергія може приймати лише дискретні значення (за моделлю Нільса Бора), які називаються "енергетичними рівнями". Коли атом Цезію-133 приймає електромагнітну хвилю з певною частотою, він переходить із стану низької енергії в стан вищої енергії, зі стану F = 3 у стан F = 4. Потім він повторно випромінює енергію, поглинену точно за 1/9 992 631 770 секунд. Ми також можемо бачити речі по-іншому: після того, як завібрував 9 192 631 770, минула секунда !

Технологічний виклик

Від електронів до ядра

Звичайно, речі можна подати простіше: коли атом цезію бомбардується енергією, наприклад, за допомогою простого електромагнітного сигналу він вібрує. В атомі енергія може приймати лише дискретні значення (за моделлю Нільса Бора), які називаються "енергетичними рівнями". Коли атом Цезію-133 приймає електромагнітну хвилю з певною частотою, він переходить із стану низької енергії в стан вищої енергії, зі стану F = 3 у стан F = 4. Потім він повторно випромінює енергію, поглинену точно за 1/9 992 631 770 секунд. Ми також можемо бачити речі інакше: після того, як вібрував 9 192 631 770, минула секунда !

Технологічний виклик

Перспективним кандидатом для досягнення розвитку ядерного годинника є ядро атома Торію-229. "З 1976 року вважається, що Торій-229 вимагає найменш енергоємного ядерного збудження", - згадує Торстен Шумм. Набагато пізніше, у 2003 році, дослідники Еккехард Пейк та Крістіам Тамм з Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Німецьке метрологічне агентство) запропонували використовувати цей ядерний перехід як еталон для ядерних годин (E. Peik et C. Tamm, Europhys. Lett. 61,181, 2003). "В останні роки питання полягало в тому, чи енергія збудження буде настільки низькою, щоб бути в межах лазера", - продовжує дослідник.

Дослідження, яке він підписав, дозволяє ствердно відповісти на це запитання: за її словами, ядро торію можна перейти в найслабший збуджений стан просто ультрафіолетовим випромінюванням лазером. "Як тільки цей подвиг буде досягнутий контрольованим чином, ядерний годинник можна буде сконструювати шляхом вимірювання частоти коливань ядра Торію при його переході від Торію-229 до Торію-229м. Але конструкція цього лазера залишається. виклик ", зізнається фізик.

І який виклик. Як ми можемо собі уявити, виготовлення годинника, який покладається на енергетичні переходи ядра, далеко не те, щоби бути руйнуванням. Для цього потрібна дуже конкретна виділена система. Найбільша складність полягає в тому, що кількість енергії, необхідної для переходу від основного стану до першого рівня збудження, ще недостатньо відома з достатньою точністю. Без цих даних неможливо визначити точну довжину хвилі УФ-світла, що спричиняє такий перехід. Ще одна велика перешкода: дефіцит «відповідного» сигналу. Дійсно, лише одна подія розпаду з 10 000 містить інформацію, що цікавить енергію збудженого стану 229Th! Що робить вимірювання дуже тривалим, масиви даних складаються з декількох місяців безперервного збору.

Мікрокалориметр з неперевершеною роздільною здатністю

Крістіан Енс і Андреас Флейшманн з Інституту фізики Кірхгофа при Університеті Гейдельберга, Німеччина, також співавтори дослідження, проте зуміли зробити важливий крок для подолання цієї проблеми: розробка нового вдосконаленого гамма-спектрометра і точніше, магнітний мікрокалориметр, охолоджений до частки градуса вище абсолютного нуля (-273 ° C), здатний виявляти ці "УФ-гамма-промені" з низькою енергією, що випромінюються під час проходження Торію-229м до Торію-229. Це контролює крихітне підвищення температури, яке відбувається щоразу, коли гамма-проміння поглинається в пристрій. Незважаючи на те, що методика подібна до тієї, що повідомлялась у попередніх дослідженнях, нові вимірювання командою університетів Відня та Гейдельберга дали набагато точніші значення енергії торію-229м завдяки роздільній здатності їх калориметра.

Отже, залишається подвиг, який потрібно здійснити до того, як вдасться створити функціональний атомний годинник: досягти успіху в безпосередньому збудженні низькоенергетичного стану Торію-229 за допомогою лазера. "До цього часу методами, що дозволили досягти цього стану, були ядерний розпад (Уран-233 до Торій-229) або перекачування рентгенівських променів до більш збуджених ядерних станів Торію-229. Торій-229м відомий як єдиний ядерний рівень, доступний лазером. Проте ще ніхто ". В даний час це головна мета європейського дослідницького проекту ThoriumNuclearClock, розпочатого в лютому 2020 р. До 2026 р. Він буде спрямований на розробку перших годинників в атомному ядрі Торію. Найточніший з усіх коли-небудь.

Щоранку отримуйте безкоштовні оновлення новин