Человечество уже давно осваивает способность переводить атомы из одного квантовомеханического состояния в другое с помощью лазеров. Атомные часы основаны, помимо прочего, на этом принципе. Однако с некоторых пор проводятся исследования метода использования лазеров для возбуждения атомных ядер и изменения их состояния. Они намного меньше целого атома и поэтому менее восприимчивы к внешним воздействиям, например, электромагнитным полям. Если бы удалось изменить их состояние и обнаружить это изменение, это позволило бы проводить измерения с ранее неизвестной точностью.
Картинка показывает открытие энергетического переход атомного ядра с помощью кристалла. Изображение: TU Wien
Один элемент особенно подходил для этого проекта: торий. Он имеет два квантовых состояния, которые относительно близки друг к другу. Изменения можно внести в ядра тория с помощью лазера.
«Ядрами атомов обычно невозможно манипулировать с помощью лазеров. Энергии фотонов для этого просто недостаточно», — говорит Торстен Шумм из Венского технического университета (TU Wien).
Единственная проблема заключается в том, что нужно достичь очень точного значения энергии, чтобы вызвать изменение состояния. Если у лазера слишком много энергии, ничего не произойдет; если слишком мало – тоже. Нужно знать это значение с точностью до миллионной доли электронвольта.
Определить нужное количество энергии – непростая задача. В последние десятилетия – начиная с 1990-х годов – ученые все ближе и ближе подходили к определению точного значения. Теперь это удалось. Это сделали исследователи из Венского технического университета (TU Wien) и Федерального физико-технического института Брауншвейга. Ключом к успеху стала совершенно новая технология.
«Мы разработали кристаллы, в которые включено большое количество атомов тория», — объясняет Фабиан Шаден из TU Wien.
По его словам, это технически довольно сложно. У метода есть преимущество: ученые не только изучают отдельные ядра тория, но и могут одновременно поражать лазером около 10 в 17-й степени ядер тория — примерно в миллион раз больше чем звезд в нашей галактике.
Руководитель исследования Торстен Шумм с кристаллами тория. Фото Wilke
Из-за большого количества атомных ядер время измерений можно было сократить, но поиск все равно занимал время. Наконец, 21 ноября 2023 года ученые достигли своей цели. Значение энергии ториевого перехода была определена точно. Лазерный луч фактически специально изменил состояние атомного ядра. После проверки данных результат теперь опубликован в журнале Physical Review Letters.
Энергетический переход атомного ядра составляет 8,355743 плюс минус 0,000003 электронвольта. Что теперь делать с этими знаниями? С их помощью можно измерять время гораздо точнее, чем с помощью атомных часов. Это может повысить точность измерений для целого ряда задач. По данным Венского технологического университета, можно очень точно измерить гравитационное поле Земли и использовать крошечные отклонения, чтобы найти признаки минеральных ресурсов глубоко в недрах Земли или предсказать вероятность землетрясений.
Кроме того, можно было бы использовать ториевые часы высокой точности для проверки естественных констант. Являются ли определенные силы на самом деле всегда одинаковыми или существуют небольшие отклонения? Может ли это объяснить такие вещи, как темная материя или темная энергия? Ученым предстоит ответить на эти вопросы.
«Наш метод измерения — это только начало. Сегодня невозможно оценить, какие результаты будут достигнуты. Это определенно будет интересно», — заключает руководитель исследования Торстен Шумм.
