Przełom po dekadach. Laserowe wzbudzenie jądra atomu

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Fizycy z całego świata przez wiele lat poszukiwali konkretnego stanu jądra atomu toru, który może zapewnić wiele korzyści technologicznych i naukowych. Mógłby on zostać wykorzystany do budowy zegarów atomowych znacznie bardziej precyzyjnych, niż obecne. Mógłby zostać użyty do znalezienia odpowiedzi na podstawowe pytania z dziedziny fizyki, jak na przykład czy pewne stałe są rzeczywiście stałymi czy też ulegają zmianie w czasie i przestrzeni.

W końcu się udało. Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu i niemieckiego Narodowego Instytutu Meteorologicznego jako pierwsi wykorzystali laser do precyzyjnego wprowadzenia jądra atomowego na wyższy poziom energetyczny i dokładnego pomiaru jego powrotu do stanu pierwotnego. W ten sposób połączyli klasyczną fizykę kwantową z fizyką atomową. Kluczem do sukcesu było stworzenie specjalnych kryształów zawierających tor.

Manipulowanie atomami czy molekułami za pomocą laserów jest codziennością. Jeśli odpowiednio dobierzemy długość fali światła laserowego, możemy przełączać atomy i molekuły w różne stany i dokładnie mierzyć ich energie. Metody takie są powszechnie wykorzystywane w fizyce czy chemii. Lasery używane są też w komputerach kwantowych do przechowywania informacji w atomach lub molekułach.

O ile jednak od dawna potrafimy manipulować stanem atomu, to wydawało się to niemożliwe w przypadku stanu samego jądra. Jądro atomowe również może przełączać się pomiędzy różnymi stanami kwantowymi. Jednak zwykle wymaga to co najmniej 1000-krotnie więcej energii niż energia elektronów w atomie czy molekule. Dlatego właśnie manipulowanie jądrem atomowym za pomocą laserów nie wychodziło. Po prostu energia fotonów jest zbyt niska, wyjaśnia profesor Thorsten Schumm, główny autor badań.

Ta niemożność laserowego manipulowania jądrem to poważny problem, gdyż jądra atomowe to idealne obiekty kwantowe do precyzyjnych pomiarów. Są znacznie mniejsze niż atomy i molekuły, więc i znacznie mniej podatne na zewnętrzne zakłócenia, taki jak pola elektromagnetyczne. Innymi słowy, jądro atomowe dałoby nam okazję do przeprowadzenia bezprecedensowo precyzyjnych pomiarów.

Już w latach 70. w świecie nauki pojawiła się koncepcja, że istnieje pewne jądro atomowe – jądro toru-229 – którym może być łatwiej manipulować za pomocą lasera niż innymi jądrami. Jądro to posiada bowiem dwa bardzo bliskie stany energetyczne. Na tyle bliskie, że energia lasera powinna wystarczyć, by je zmienić.

Przez dekady istniały jedynie pośrednie dowody, że do takiej zmiany może dojść. Problem w tym, że aby dokonać za pomocą lasera zmiany stanu energetycznego, musisz bardzo precyzyjnie znać energię potrzebną do przeprowadzenia tej zmiany. Znajomość tej energii z dokładnością do 1 elektronowolta jest bezużyteczna, jeśli do wykrycia zmiany poziomu energetycznego potrzebujesz precyzji rzędu jednej milionowej elektronowolta, dodaje Schumm.

Wiele grup naukowych próbowało badać tor utrzymując pojedyncze atomy w pułapkach elektromagnetycznych. Austriacko-niemiecki zespół wykorzystał jednak inną technikę. Uczeni stworzyli kryształy zawierające olbrzymią liczbę atomów toru. Z technicznego punktu widzenia jest to skomplikowane. Jednak ma tę przewagę nad innymi technikami, że możemy badać nie jeden atom, ale jedną wiązką lasera trafić w około 10¹⁷ atomów toru. To około milion razy więcej niż jest gwiazd w naszej galaktyce, mówi Fabian Schaden, który stworzył odpowiednie kryształy i dokonywał pomiarów wraz z kolegami z Niemiec.

Profesor Schumm od 2009 roku skupił się wyłącznie na poszukiwaniu energii zmiany stanu energetycznego jądra toru-229. Historyczny moment miał miejsce 21 listopada 2023 roku, kiedy po raz pierwszy uzyskano jasny sygnał o zmianie stanu energetycznego jądra atomu po oświetleniu go laserem. Od tamtego czasu autorzy badań szczegółowo sprawdzali i analizowali wyniki eksperymentu, by obecnie móc je publicznie ogłosić. Jesteśmy szczęśliwi, że dokonaliśmy przełomu. Pierwszego laserowego wzbudzenia jądra atomu, cieszy się Schumm.

Teraz, gdy wiemy, jak dokonać takiego wzbudzenia, naukowcy mogą przystąpić do wykonywania precyzyjnych pomiarów. Od samego początku pojawienia się koncepcji wzbudzenia jądra toru-229 za pomocą lasera, naukowcy myśleli o zbudowaniu niezwykle precyzyjnego zegara atomowego. Jedna to nie wszystko. Dzięki nowej technologii badania pola grawitacyjnego Ziemi staną się tak precyzyjne, że możliwe będzie wykrywanie złóż minerałów czy niezwykle słabych trzęsień Ziemi. Tor może zostać też wykorzystany do upewnienia się, czy stałe fizyczne na pewno są stałe. Nasza metoda pomiarowa to dopiero początek. Nie jesteśmy w stanie przewidzieć, co dzięki niej zostanie osiągnięte. Ale wiemy, że będą to ekscytujące rzeczy, podsumowuje Schumm.

« powrót do artykułu

[l_smolinski 29]

W dniu 30.04.2024 o 13:42, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Mógłby zostać użyty do znalezienia odpowiedzi na podstawowe pytania z dziedziny fizyki, jak na przykład czy pewne stałe są rzeczywiście stałymi czy też ulegają zmianie w czasie i przestrzeni.

Hm.. zastanawia mnie jak stała planka może się zmieniać w przestrzeni? Puchnie?