Kärnan i thorium-229 besitter en egenskap som är unik bland alla kända nuklider:Det bör vara möjligt att excitera det med ultraviolett ljus. Hittills, lite har varit känt om lågenergitillståndet i Th-229-kärnan som är ansvarig för denna egenskap. Tillsammans med sina kollegor från München och Mainz, forskare vid Physikalisch -Technische Bundesanstalt (PTB) har nu utfört de första mätningarna någonsin - med hjälp av optiska metoder - av några viktiga egenskaper hos denna kärnkraftsstat, till exempel formen på dess laddningsfördelning. På det här sättet, en laserexcitation av atomkärnan kan övervakas, på så sätt kan en optisk kärnklocka förverkligas som "tickar" mer exakt än dagens atomur. Forskarna har rapporterat sina resultat i det aktuella numret av Natur .

Redan för cirka 15 år sedan Ekkehard Peik och Christian Tamm utvecklade konceptet med en ny atomklocka som hade unika egenskaper vid PTB i Braunschweig:I stället för att en övergångsfrekvens mellan två tillstånd i elektronskalet används som pulsgenerator för deras klocka, som är fallet i alla atomur som används idag, de tänkte sig att använda en övergångsfrekvens i kärnan. Eftersom protoner och neutroner i kärnan packas tätare än elektronerna i atomskalet av flera storleksordningar, de reagerar mindre känsligt på yttre störningar som kan ändra deras övergångsfrekvenser - vilket ger goda förutsättningar för en högprecisionsklocka.

Dock, kärnövergångarnas frekvenser är också mycket högre än för skalövergångar (i röntgenområdet); av denna anledning, de är oanvändbara för atomur, som, hittills, har uteslutande baserats på mikrovågor eller laserljus. Det enda kända undantaget, och grunden för PTB:s förslag, är kärnan i thorium-229. Denna kärna har en kvasistabil, isomerisk kärnkondition vid exceptionellt låg excitationsenergi. Således, det finns en övergång mellan grundtillståndet och denna isomer, som ligger i frekvensområdet för ultraviolett ljus, och därmed inom räckhåll för laserteknik som liknar den som används i dagens optiska atomklockor.

Mer än tio forskargrupper runt om i världen arbetar för närvarande med projekt om genomförbarheten av en thorium-229 kärnklocka. I experimentella termer, denna fråga har visat sig vara extremt svår. Av denna anledning, ingen framgång har uppnåtts hittills med att observera kärnkraftsövergången med hjälp av optiska metoder, eftersom kunskapen om isomers exakta excitationsenergi bara har varit ungefärlig. "Som önskat för klockan, övergångens resonans är extremt skarp och kan bara observeras om laserljusets frekvens exakt matchar energiskillnaden för båda tillstånden. Problemet liknar därför det ordspråkliga sökandet efter en nål i en höstack, "säger Dr Peik.

2016, Dr Peiks samarbetspartners vid Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) i München rapporterade om sitt första genombrott i Natur :För första gången, de kunde bevisa kärnkraftsövergången inom thorium-229-kärnan, även om metoderna de använde var mycket annorlunda än de som användes för en atomur.

Detta forskningsprojekt - som, förutom PTB- och LMU -forskare, inkluderar också forskare från Johannes Gutenberg University Mainz, Helmholtz Institute Mainz och GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt - har nu tagit ytterligare ett avgörande steg:För första gången, det har varit möjligt för grundläggande egenskaper såsom storleken och formen på laddningsfördelningen att mätas i det exciterade tillståndet för Th-229-kärnan. För detta ändamål, Th-229-kärnorna var inte upphetsade från sitt marktillstånd (som kommer att hända i framtiden i klockan); istället, i en enhet som utvecklats av LMU, de erhölls i exciterat tillstånd från alfa-sönderfallet av uran-233, bromsas och lagras som Th2+ -joner i en jonfälla. En uran-233 källa lämplig för detta ändamål tillhandahålls av grupperna i Mainz och Darmstadt. Med hjälp av lasersystem utvecklade vid PTB för spektroskopi av dessa joner, det var möjligt att mäta övergångsfrekvenser i elektronskalet exakt. Eftersom dessa frekvenser påverkas direkt av kärnegenskaperna, de kan användas för att få information om dessa egenskaper. Hittills, modeller baserade enbart på teori har inte kunnat förutsäga hur strukturen för Th-229-kärnan kommer att bete sig under denna ovanligt lågenergiomställning. Vidare, eftersom strukturen hos elektronskalet är lättare att mäta med hjälp av spektroskopi, det har blivit möjligt att använda det för att demonstrera en laserexcitering av kärnan.

Dock, även om detta inte betyder att sökningen har slutförts efter Th-229-kärnans optiska resonansfrekvens ("nålen i höstacken"), vi vet nu hur nålen faktiskt ser ut, vilket ger oss ett betydande steg närmare den optiska atomklockan.