Sammanfattning
Fysiker har utvecklat en ny thoriumfilm som kräver mycket mindre av det sällsynta thorium-229 och är betydligt mindre radioaktiv. Denna film kan revolutionera atomklockor genom att göra dem mer exakta, billigare och bärbara. Studien visar att den nya filmen kan ge samma kärnexitation som kristaller men med lägre kostnad och radioaktivitet. Detta kan göra atomklockor mer tillgängliga och användbara för olika tillämpningar, inklusive grundläggande fysikforskning.
Fysiker har utvecklat en ny film som kräver mycket mindre av det sällsynta thorium-229 och är betydligt mindre radioaktiv. Denna nya film kan revolutionera atomklockor och göra dem mer tillgängliga och bärbara.
Atomklockor som exciterar kärnan i thorium-229 inbäddad i en transparent kristall när den träffas av en laserstråle, kan ge de mest exakta mätningarna någonsin av tid och gravitation, och till och med omskriva några av de fundamentala fysiklagarna. Thorium-229-dopade kristaller är dock både sällsynta och radioaktiva. En tunn film som använder en torr föregångare av thorium-229 visar samma kärnexitation som kristallen, men dess låga kostnad och radioaktivitet, samt mindre storlek, gör att dess produktion kan skalas upp mer lätt för att göra mindre, billigare och mer bärbara atomklockor.
Denna sommaren lyckades UCLA-fysiker få kärnan i ett thorium-229-atom inbäddat i en transparent kristall att absorbera och emittera fotoner som elektronerna i ett atom gör, vilket avslutade decennier av spekulationer om huruvida en sådan bedrift var möjlig. Att höja energitillståndet hos en atoms kärna med hjälp av en laser, eller excitera den, skulle tillåta utvecklingen av de mest exakta atomklockorna någonsin och möjliggöra de mest exakta mätningarna av tid och gravitation. En sådan atomklocka skulle till och med kunna omskriva några av de fundamentala fysiklagarna.
Men det finns ett problem: Thorium-229-dopade kristaller är både sällsynta och radioaktiva. I en ny artikel publicerad i Nature, har ett team av UCLA-kemister och fysiker kanske också löst det problemet med utvecklingen av tunna filmer gjorda av en thorium-229-föregångare som kräver mycket mindre thorium-229 och är ungefär lika radioaktiv som en banan. Med hjälp av dessa filmer visade de samma laserdriven kärnexitation som krävs för en kärnklocka. Produktionen av filmen kan skalas upp för användning inte bara i kärnklockor utan även andra kvantoptiska applikationer.
I stället för att bädda in en ren thoriumatom i en fluorbaserad kristall, använder den nya metoden ett torrt nitratföregångsmaterial av thorium-229 upplöst i ultrarenat vatten och pipetterat i en kruka. Tillägget av vätefluorid ger några mikrogram thorium-229-utfällning som separeras från vattnet och värmes tills den avdunstar och kondenserar jämnt på transparenter safir- och magnesiumfluoridytor.
Ljus från ett vakuum-UV-lasersystem riktades mot målen, där det exciterade kärntillståndet som rapporterades i tidigare UCLA-forskning, och de efterföljande fotoner som emitterades av kärnan samlades in.
”En nyckelfördel med att använda ett föräldramaterial – thoriumfluorid – är att alla thoriumkärnor befinner sig i samma lokala atomiska miljö och upplever samma elektriska fält vid kärnan,” sade medförfattaren och Charles W. Clifford Jr., professor i kemi och biokemi, och professor i materialvetenskap och teknik vid UCLA, Anastassia Alexandrova. ”Det gör att all thorium uppvisar samma exitationenergier, vilket ger en stabil och mer exakt klocka. På det sättet är materialet unikt.”
I hjärtat av varje klocka finns en oscillator. Klockan fungerar genom att definiera tid som hur lång tid det tar för oscillatorn att genomgå ett visst antal oscillationer. I en gammaldags pendelklocka kan en sekund definieras som tiden det tar för pendeln att gå fram och tillbaka en gång; i kvartskristallen i en armbandsur ligger det typiskt omkring 32 000 vibrationer.
I en thoriumkärnklocka är en sekund ungefär 2 020 407 300 000 000 excitation- och avslappningscykler av kärnan. Denna högre tickfrekvens kan göra klockan mer precis, förutsatt att tickfrekvensen är stabil; om tickfrekvensen ändras, kommer klockan att felmäta tiden. De tunna filmer som beskrivs i det här arbetet ger en stabil miljö för kärnan som både enkelt kan konstrueras och har potentialen att utnyttjas för att producera mikrofabricerade enheter. Detta skulle kunna möjliggöra ett brett användningsområde för kärnklockor eftersom det gör dem billigare och enklare att producera.
Befintliga atomklockor baserade på elektroner är rumsstora konstruktioner med vakuumkammare för att fånga in atomer och utrustning för kylning. En thoriumbaserad kärnklocka skulle vara mycket mindre, robustare, mer bärbar och mer exakt.
Över och bortom kommersiella tillämpningar, skulle den nya kärnspektroskopin kunna dra tillbaka ridån för några av universums största mysterier. Känslig mätning av en atoms kärna öppnar en ny väg att lära sig om dess egenskaper och interaktioner med energi och miljön. Detta, i sin tur, kommer att låta forskare testa några av sina mest fundamentala idéer om materia, energi och lagarna om tid och rymd.
Källa: ScienceDaily
Taggar: Atomklockor, thorium-229, kärnfysik, tidmätning, gravitation, kvantoptik, fysik, kemi, materialvetenskap.