Moderna atomur är de mest exakta mätverktygen som för närvarande finns. De bästa aktuella instrumenten avviker med bara en sekund på 30 miljarder år. Dock, även denna extraordinära precision kan förbättras. Verkligen, en klocka baserad på ett upphetsat nukleärt tillstånd av thorium-229 bör göra det möjligt att förbättra timingnoggrannheten med en annan storleksordning.

Nu, ett forskargrupp ledd av fysikern Peter Thirolf vid Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München med institutionella samarbetspartners har tagit ett viktigt steg mot en sådan klocka. Den nya studien publiceras i tidskriften Natur .

I tidningen, författarna rapporterar att de har lyckats kvantifiera energin som frigörs genom förfallet av den upphetsade thorium-229-kärnan, vilket är en väsentlig förutsättning för förverkligandet av en thoriumbaserad kärnklocka.

Till skillnad från nuvarande atomur, som använder oscillationer i de yttre elektronskal av atomer, kärnklockor använder svängningar inom kärnan som tidtagare. I båda fallen, svängningarna är produkten av övergångar mellan definierade energinivåer, som kan exciteras av laserljus med en specifik våglängd. Vanligtvis, energierna som krävs för att excitera svängningar i de allra flesta atomkärnor är storleksordningar högre än de som krävs för att stimulera övergångar i elektronernas orbitalskal - vilket utesluter användning av konventionella lasrar för detta ändamål. Dock, det finns bara en livskraftig kandidat för utvecklingen av en kärnklocka-thorium-229-kärnan. Dess upphetsade tillstånd ligger vid en energi som är den överlägset lägsta av något tillstånd som finns i de cirka 3800 för närvarande kända atomkärnorna. Bestrålning med UV -ljus, som ligger inom förmågan hos lasrar som nu finns tillgängliga, är tillräckligt för att fylla detta upphetsade tillstånd.

Dock, tills nu, den exakta energin som krävs för att generera den exciterade thorium-229 har varit okänd. "För att framkalla kärnkraftsövergången, laserljusets våglängd måste ställas in för att matcha övergångsenergin exakt. Vi har nu lyckats mäta detta exakt för första gången, "säger Benedict Seiferle, huvudförfattare till det nya papperet.

För dessa mätningar, utförd vid LMU, författarna till studien använde den dubbelladda torium-229-katjonen. Källor som tillhandahåller denna katjon i den upphetsade kärnvapenstaten utvecklades i Mainz och placerades sedan inuti en särskild jonfälla som utvecklats vid LMU. Katjonens upphetsade tillstånd har en livstid på timmar. Detta är relativt långt för en upphetsad kärnstat och är avgörande för den framtida utvecklingen av klockan, men det hämmar mätning av sönderfallsenergin. "Denna långa livslängd innebär att sönderfall till grundtillståndet endast sker sällan. Eftersom mätning av detta förfall var målet för vårt experiment, vi utnyttjade det faktum att sönderfall sker snabbt när katjonerna ges möjlighet att samla de saknade elektronerna, säger Seiferle.

För att tillhandahålla elektroner, Seiferle och kollegor guidade jonerna genom ett lager grafen. På väg genom detta lager, varje jon tar upp två elektroner och framträder som en neutral atom på andra sidan. Tack vare detta kontrollerade neutraliseringssteg, det upphetsade tillståndet försvinner sedan till grundtillståndet inom några mikrosekunder. De neutraliserade atomerna driver ut en elektron från ett yttre atomskal, genererar således en positivt laddad thorium-229-jon. Den fria elektronens rörelseenergi beror på kärnstatens excitationsenergi och bestäms med hjälp av en elektronspektrometer. Dock, denna energi är bara en bråkdel av den energi som används för att generera den upphetsade kärnkraften. Resten finns kvar i thorium-229, vilket gör tolkningen av det resulterande spektrakomplexet. För att komma runt detta problem, författarna baserade vid Max-Planck-institutet för teoretisk fysik i Heidelberg beräknade spektra som kan förväntas. Med hjälp av dessa förutsägelser, och i samarbete med sina kollegor i Wien och Bonn, laget i München kunde sedan bestämma energin som faktiskt var förknippad med förfallet av den upphetsade kärnstaten.

Resultatet indikerar att thorium-229-kärnan kan exciteras till denna nivå genom bestrålning med laserljus vid en våglängd på cirka 150 nanometer. Nu kan lasrar specifikt utformade för att avge i detta våglängdsområde konstrueras. Detta steg kommer att föra den första kärnklockan mycket närmare det praktiska förverkligandet. Forskarna tror att en thoriumbaserad kärnklocka öppnar nya vägar inom grundvetenskaperna, men kommer också att hitta många applikationer, som bara blir möjliga på grundval av extremt exakta mätningar inom tidsdomänen.