Fysiker har länge hoppats på detta ögonblick:i många år har forskare runt om i världen letat efter ett mycket specifikt tillstånd av toriumatomkärnor som lovar revolutionerande tekniska tillämpningar. Den skulle till exempel kunna användas för att bygga en kärnklocka som kunde mäta tiden mer exakt än de bästa atomklockorna som finns idag. Det skulle också kunna användas för att svara på helt nya grundläggande frågor inom fysiken – till exempel frågan om naturens konstanter faktiskt är konstanta eller om de förändras i rum och tid.
Nu har detta hopp besannats:Den länge eftersökta toriumövergången har hittats, och dess energi är nu känd exakt. För första gången har det varit möjligt att använda en laser för att överföra en atomkärna till ett tillstånd av högre energi och sedan exakt spåra dess återgång till sitt ursprungliga tillstånd.
Detta gör det möjligt att kombinera två områden inom fysiken som tidigare hade lite med varandra att göra:klassisk kvantfysik och kärnfysik. En avgörande förutsättning för denna framgång var utvecklingen av speciella toriumhaltiga kristaller.
En forskargrupp ledd av professor Thorsten Schumm från TU Wien (Wien) har nu publicerat denna framgång tillsammans med ett team från National Metrology Institute Braunschweig (PTB) i tidskriften Physical Review Letters .
Att manipulera atomer eller molekyler med lasrar är vanligt idag:Om våglängden på lasern väljs exakt rätt kan atomer eller molekyler bytas från ett tillstånd till ett annat. På så sätt kan energierna hos atomer eller molekyler mätas mycket exakt. Många precisionsmättekniker bygger på detta, som dagens atomur, men även kemiska analysmetoder. Lasrar används också ofta i kvantdatorer för att lagra information i atomer eller molekyler.
Under lång tid verkade det dock omöjligt att tillämpa dessa tekniker på atomkärnor.
"Atomkärnor kan också växla mellan olika kvanttillstånd. Men det tar vanligtvis mycket mer energi att ändra en atomkärna från ett tillstånd till ett annat - åtminstone tusen gånger energin hos elektroner i en atom eller en molekyl", säger Schumm. "Det är därför som atomkärnor normalt inte kan manipuleras med laser. Fotonernas energi räcker helt enkelt inte till."
Detta är olyckligt eftersom atomkärnor faktiskt är de perfekta kvantobjekten för precisionsmätningar:De är mycket mindre än atomer och molekyler och är därför mycket mindre mottagliga för yttre störningar, såsom elektromagnetiska fält. I princip skulle de därför tillåta mätningar med oöverträffad noggrannhet.
Nålen i höstacken
Sedan 1970-talet har det spekulerats i att det kan finnas en speciell atomkärna som till skillnad från andra kärnor kanske skulle kunna manipuleras med laser, nämligen torium-229. Denna kärna har två mycket nära intilliggande energitillstånd – så nära intill att en laser i princip borde räcka för att ändra atomkärnans tillstånd.
Under lång tid fanns det dock bara indirekta bevis för att denna övergång existerade. "Problemet är att man måste känna till övergångens energi extremt exakt för att kunna inducera övergången med en laserstråle", säger Schumm.
"Att känna till energin för denna övergång till inom en elektronvolt är till liten nytta, om du måste träffa rätt energi med en precision på en miljondels elektronvolt för att upptäcka övergången." Det är som att leta efter en nål i en höstack – eller försöka hitta en liten skattkista begravd på en kilometerlång ö.
Vissa forskargrupper har försökt studera toriumkärnor genom att hålla dem individuellt på plats i elektromagnetiska fällor. Schumm och hans team valde dock en helt annan teknik.
"Vi utvecklade kristaller där ett stort antal toriumatomer är inkorporerade", förklarar Fabian Schaden, som utvecklade kristallerna i Wien och mätte dem tillsammans med PTB-teamet.
"Även om detta är tekniskt ganska komplicerat, har det fördelen att vi inte bara kan studera individuella toriumkärnor på detta sätt utan kan träffa ungefär 10 i styrkan av 17 toriumkärnor samtidigt med lasern - ungefär en miljon gånger fler än det finns stjärnor i vår galax."
Det stora antalet toriumkärnor förstärker effekten, förkortar den nödvändiga mättiden och ökar sannolikheten att faktiskt hitta energiövergången.
Den 21 november 2023 var teamet äntligen framgångsrikt:Den korrekta energin i toriumövergången träffades exakt, och toriumkärnorna levererade en tydlig signal för första gången. Laserstrålen hade faktiskt ändrat tillståndet. Efter noggrann granskning och utvärdering av data har resultatet nu publicerats.
"För oss är det här en dröm som går i uppfyllelse", säger Schumm. Sedan 2009 har Schumm fokuserat sin forskning helt på sökandet efter toriumövergången. Hans grupp såväl som tävlande lag från hela världen har upprepade gånger uppnått viktiga delframgångar de senaste åren.
"Vi är naturligtvis glada över att vi nu är de som kan presentera det avgörande genombrottet:Den första riktade laserexciteringen av en atomkärna", säger Schumm.
Detta markerar starten på en ny spännande era av forskning:Nu när teamet vet hur man exciterar toriumtillståndet kan denna teknik användas för precisionsmätningar. "Ända från början var att bygga en atomklocka ett viktigt långsiktigt mål", säger Schumm.
"I likhet med hur en pendelklocka använder pendelns svängning som en timer, kan oscillationen av ljuset som exciterar toriumövergången användas som en timer för en ny typ av klocka som skulle vara betydligt mer exakt än de bästa atomklockorna tillgänglig idag."
Men det är inte bara tid som skulle kunna mätas mycket mer exakt på detta sätt än tidigare. Till exempel skulle jordens gravitationsfält kunna analyseras så exakt att det skulle kunna ge indikationer på mineraltillgångar eller jordbävningar. Mätmetoden skulle också kunna användas för att gå till botten med fysikens grundläggande mysterier:Är naturens konstanter verkligen konstanta? Eller kan små förändringar kanske mätas över tid?
"Vår mätmetod är bara början", säger Schumm. "Vi kan ännu inte förutse vilka resultat vi kommer att uppnå med det. Det kommer säkert att bli väldigt spännande."
Mer information: J. Tiedau et al, Laser Excitation of the Th-229 Nucleus, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.182501
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
