|
Квантовая физика и ядерная физика могут быть объединены
|
|
|
|
Физики долгое время надеялись на этот момент: в течение многих лет ученые по всему миру искали очень специфическое состояние атомных ядер тория, которое обещает революционные технологические применения. Его можно было бы использовать, например, для создания ядерных часов, которые могли бы измерять время более точно, чем лучшие атомные часы, доступные на сегодняшний день. Он также может быть использован для ответа на совершенно новые фундаментальные вопросы физики — например, на вопрос о том, действительно ли природные константы постоянны или они изменяются в пространстве и времени. Теперь эта надежда сбылась: долгожданный ториевый переход найден, и его энергия теперь точно известна. Впервые появилась возможность с помощью лазера перевести атомное ядро в состояние с более высокой энергией, а затем точно отследить его возвращение в исходное состояние.
|
|
|
|
Это позволяет объединить две области физики, которые ранее имели мало общего друг с другом: классическую квантовую физику и ядерную физику. Важнейшей предпосылкой для этого успеха стала разработка специальных кристаллов, содержащих торий. Исследовательская группа, возглавляемая проф. Торстен Шумм (Thorsten Schumm) из Венского технического университета (TU Wien) опубликовал результаты своего успеха вместе с командой из Национального института метрологии Брауншвейга (PTB) в журнале Physical Review Letters. Манипулирование атомами или молекулами с помощью лазеров сегодня является обычным делом: если длина волны лазера выбрана точно, атомы или молекулы могут переходить из одного состояния в другое. Таким образом, энергия атомов или молекул может быть измерена очень точно. На этом основаны многие методы точных измерений, такие как современные атомные часы, а также методы химического анализа. Лазеры также часто используются в квантовых компьютерах для хранения информации в атомах или молекулах.
|
|
|
Однако долгое время казалось невозможным применить эти методы к атомным ядрам. "Атомные ядра также могут переключаться между различными квантовыми состояниями. Однако для перехода атомного ядра из одного состояния в другое обычно требуется гораздо больше энергии — по крайней мере, в тысячу раз больше энергии электронов в атоме или молекуле", - говорит Шумм. "Вот почему обычно лазерами нельзя манипулировать с атомными ядрами. Энергии фотонов просто недостаточно". Это вызывает сожаление, поскольку атомные ядра на самом деле являются идеальными квантовыми объектами для точных измерений: они намного меньше атомов и молекул и, следовательно, гораздо менее чувствительны к внешним воздействиям, таким как электромагнитные поля. В принципе, они позволили бы проводить измерения с беспрецедентной точностью. С 1970-х годов появились предположения, что может существовать особое атомное ядро, которым, в отличие от других ядер, можно манипулировать с помощью лазера, а именно торий-229. Это ядро имеет два очень близко расположенных энергетических состояния — настолько близко расположенных, что для изменения состояния атомного ядра в принципе должно быть достаточно лазера.
|
|
|
|
Однако долгое время существовали лишь косвенные доказательства существования этого перехода. "Проблема в том, что необходимо очень точно знать энергию перехода, чтобы иметь возможность вызвать переход с помощью лазерного луча", - говорит Шумм. "Знание энергии этого перехода с точностью до одного электрон-вольта мало что даст, если вам нужно определить нужную энергию с точностью до одной миллионной доли электрон-вольта, чтобы обнаружить переход". Это все равно что искать иголку в стоге сена или пытаться найти маленький сундучок с сокровищами, зарытый на острове длиной в километр. Некоторые исследовательские группы пытались изучать ядра тория, удерживая их по отдельности в электромагнитных ловушках. Однако Шумм и его команда выбрали совершенно другой метод. "Мы разработали кристаллы, в которые включено большое количество атомов тория", - объясняет Фабиан Шаден, который разработал кристаллы в Вене и измерил их вместе с командой PTB.
|
|
|
|
"Хотя технически это довольно сложно, у него есть то преимущество, что таким образом мы можем не только изучать отдельные ядра тория, но и одновременно поражать лазером от 10 до 17 ядер тория — примерно в миллион раз больше, чем звезд в нашей галактике". Большое количество ядер тория усиливает эффект, сокращает требуемое время измерения и увеличивает вероятность реального обнаружения энергетического перехода. 21 ноября 2023 года команда, наконец, добилась успеха: была точно задана нужная энергия ториевого перехода, и ядра тория впервые подали четкий сигнал. Лазерный луч фактически изменил состояние. После тщательного изучения и оценки полученных данных результат был опубликован. "Для нас это воплощение мечты", - говорит Шумм. С 2009 года Шумм полностью сосредоточил свои исследования на поиске ториевого перехода. За последние годы его группа, а также конкурирующие команды со всего мира неоднократно добивались значительных частичных успехов. "Конечно, мы рады, что теперь именно мы можем представить решающий прорыв: первое целенаправленное лазерное возбуждение атомного ядра", - говорит Шумм.
|
|
Мечта о часах на атомном ядре
|
|
|
|
Это знаменует начало новой захватывающей эры исследований: теперь, когда команда знает, как возбуждать состояние тория, эту технологию можно использовать для точных измерений. "С самого начала создание атомных часов было важной долгосрочной целью", - говорит Шумм. "Подобно тому, как маятниковые часы используют качание маятника в качестве таймера, колебания света, которые возбуждают переход тория, могут быть использованы в качестве таймера для часов нового типа, которые будут значительно более точными, чем лучшие атомные часы, доступные на сегодняшний день". Но таким образом можно было бы гораздо точнее измерить не только время, чем раньше. Например, гравитационное поле Земли можно было бы проанализировать настолько точно, что оно могло бы указывать на наличие полезных ископаемых или землетрясения. Этот метод измерения также может быть использован для того, чтобы проникнуть в суть фундаментальных загадок физики: действительно ли постоянны природные константы? Или, возможно, можно измерить незначительные изменения с течением времени? "Наш метод измерения - это только начало", - говорит Шумм. "Мы пока не можем предсказать, каких результатов мы добьемся с его помощью. Это, безусловно, будет очень захватывающе".
|
|
|
|
Источник
|
