Ett team av forskare från Max Planck-institutet för kärnfysik i Heidelberg har för första gången kontrollerat kärnexcitationer med hjälp av lämpligt format röntgenljus. I experimentet utfört vid European Synchrotron ESRF, de uppnådde en tidskontrollstabilitet på några zeptosekunder. Detta utgör grunden för nya experimentella tillvägagångssätt som utnyttjar kontrollen av kärnkraftsdynamik som kan leda till mer exakta framtida tidsstandarder och öppna nya möjligheter på vägen mot kärnkraftsbatterier.

Moderna experiment kring kvantdynamik kan i stor utsträckning kontrollera elektronernas kvantprocesser i atomer med hjälp av laserfält. Dock, atomkärnornas inre liv spelar vanligtvis ingen roll eftersom deras karakteristiska energi, tids- och längdskalor är så extrema att de praktiskt taget är opåverkade av laserfälten. Nya tillvägagångssätt blåser nytt liv i kärnfysiken genom att utnyttja denna okänslighet för yttre störningar och använda atomkärnornas extrema skalor för särskilt exakta mätningar. Således, Atomkärnor kan svara på röntgenstrålar med en extremt väldefinierad energi genom att excitera enskilda nukleoner – liknande elektroner i atomskalet. Dessa övergångar kan användas som urverk för exakta nukleära klockor, och detta kräver mätning av nukleära egenskaper med högsta precision.

Ett team av forskare kring fysiker från Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg har nu gått ett steg framåt genom att inte bara mäta atomkärnors kvantdynamik, men också att kontrollera dem med hjälp av lämpligt formade röntgenpulser med tidigare ouppnådd tidsstabilitet på några zeptosekunder - en faktor 100 bättre än något som tidigare uppnåtts. Detta öppnar verktygslådan för koherent kontroll, som framgångsrikt har etablerats inom optisk spektroskopi, till atomkärnor — vilket ger helt nya möjligheter och perspektiv.

Så kallad koherent kontroll använder materiens vågegenskaper för att styra kvantprocesser via elektromagnetiska fält, t.ex. laserpulser. Förutom frekvensen eller våglängden, varje vågfenomen kännetecknas av amplituden (våghöjden) och fasen (tidsläge för vågtoppar och dalar). En enkel analogi är kontrollen av en oscillerande sving genom periodisk, vågliknande tryckning. För detta, den exakta timingen (fasen) av trycket i förhållande till svängrörelsen måste kontrolleras. Om den mötande gungan trycks ned, den bromsas in. Om, å andra sidan, den rör sig bort, dess avböjning ökas av trycket.

Analogt, materiens kvantmekaniska egenskaper kan styras via motsvarande exakt styrning av de applicerade laserfälten. Under de senaste decennierna, det har gjorts stora framsteg och framgångar i den sammanhängande kontrollen av atomer och molekyler, med en tidsprecision av ljus ner till attosekundens intervall, den miljarddels delen av en miljarddels sekund, vilket motsvarar den naturliga tidsskalan för elektroner i atomer. Viktiga forskningsmål med möjliga framtida tillämpningar är, till exempel, kontroll av kemiska reaktioner eller utveckling av nya, mer exakta tidsnormer.

Under de senaste åren har Tillgången till nya strålningskällor för röntgenstrålning med laserkvalitet (synkrotronstrålning och frielektronlasrar) har öppnat upp ett nytt område:kärnkvantoptik. Fysiker från Christoph Keitel och Thomas Pfeifers avdelningar vid Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) i Heidelberg har nu för första gången lyckats demonstrera en sammanhängande kontroll av kärnexcitationer genom röntgenstrålar vid European Synchrotron ESRF (Grenoble, Frankrike) i samarbete med forskare från DESY (Hamburg) och Helmholtz Institute/Friedrich Schiller University (Jena). En stabilitet av den koherenta kontrollen på några zeptosekunder (en tusendels attosekunde) uppnåddes.

I experimentet, forskarna kring projektledaren Jörg Evers (MPIK) använde två prover berikade med järnisotopen 57Fe, som bestrålas med korta röntgenpulser från synkrotronen (fig. 1). I det första provet, de genererade en kontrollerbar dubbel röntgenpuls, som sedan användes för att kontrollera dynamiken hos kärnorna i det andra provet. De undersökta nukleära excitationerna – som deexciterar igen genom röntgenstrålning – kännetecknas av en mycket hög energiskärpa:så kallade Mössbauer-övergångar. Upptäckten av den underliggande effekten (Nobelpriset 1961) gjordes av Rudolf Mössbauer 1958 vid MPI för medicinsk forskning, från vilken MPIK avbröt samma år.

För att generera dubbelpulsen, kärnorna i det första provet exciteras av den korta röntgenpulsen och, på grund av den höga energiskärpan, släpp denna excitation jämförbart långsamt i form av en andra röntgenpuls. I experimentet, provet skiftas snabbt mellan exciteringen och de-exciteringen med ett litet avstånd motsvarande ungefär halva röntgenvåglängden. Detta ändrar flygtiden för den andra pulsen till det andra provet, och skiftar således positionen för vågorna för de två röntgenpulserna (relativ fas) i förhållande till varandra.

Denna dubbla puls gör det nu möjligt att kontrollera kärnorna i det andra provet. Den första pulsen exciterar en kvantmekanisk dynamik i kärnan, analogt med den oscillerande svingen. Den andra pulsen ändrar denna dynamik, beroende på den relativa fasen för de två röntgenpulserna. Till exempel, om vågen för den andra pulsen träffar det andra provet i fas med kärndynamiken, kärnorna exciteras ytterligare. Genom att variera den relativa fasen, forskarna kunde växla mellan ytterligare excitation av kärnorna och de-excitering av kärnorna, och därmed kontrollera kärnornas kvantmekaniska tillstånd. Detta kan rekonstrueras från de uppmätta interferensstrukturerna för röntgenstrålningen bakom det andra provet (fig. 2).

En akustisk analogi illustreras i fig. 3:Här, provernas Mössbauer-kärnor motsvarar stämgafflar som exciteras av en kort smäll ("startskott, " analogt med synkrotronpulsen) och i sin tur ljud något dämpat med sin exakt definierade frekvens. Ljudet från den första gaffeln träffar alltså den andra gaffeln efter smällen som en extra excitation. I fall (a), denna ljudvåg rör sig mitt emot den andra gaffeln, så att dess oscillation avexciteras. I fall (b), den första gaffeln skiftas snabbt så att dess ljud stämmer överens med den andra gaffelns rörelse istället och därmed exciterar den mer.

Med tanke på de extrema krav som krävs för att kontrollera atomkärnor (förskjutningen av det första provet med en halv våglängd är av storleksordningen en atomradie), den uppenbarligen ringa påverkan av externa störningar på experimentets kvalitet är överraskande. Ändå, detta fungerar – på grund av den korta varaktigheten av en mätsekvens, under vilken de huvudsakliga störande rörelserna är praktiskt taget frusna. Denna stabilitet är en förutsättning för framtida nya tillämpningar baserade på nukleära övergångar:mer exakta tidsstandarder, undersökning av variationen av fundamentala konstanter eller sökandet efter ny fysik bortom de accepterade modellerna.

Inom området atomdynamik, långtgående kontroll är nyckeln till många applikationer. De möjligheter som visas här öppnar dörren för nya experimentella tillvägagångssätt baserade på kontroll av kärndynamik, t.ex. genom att förbereda kärnor i speciella kvanttillstånd som möjliggör mer exakta mätningar. I den mån framtida röntgenkällor skulle möjliggöra starkare excitation av kärnorna, kärnbatterier som kan lagra och frigöra stora mängder energi i interna excitationer av kärnorna utan kärnklyvning eller fusion skulle också vara tänkbara.