يمكن أن يساعدنا الاختراق النووي في صنع الساعة الأكثر دقة في الوجود

(أكسجين / مومنت / جيتي إيماجيس)

لا تعتمد الساعات الأكثر دقة في الوجود على حركة كوارتز أو عجلة توازن ، بل تعتمد على تكتك الإلكترونات في غلاف ذري. أفضل الساعات الذرية دقيقة جزء واحد من 1018 - دقيق جدًا ، لم يكونوا ليخسروا ثانية واحدة في كل مليارات السنين منذ بداية الكون.

هناك نوع جديد محتمل من الساعات يمكنه تحسين هذه الدقة بترتيب من حيث الحجم ، إلى جزء واحد من 1019. يعتمد على دقات نوى نظير الثوريوم ، ولكن على الرغم من الفكرة تم طرحه لأول مرة في عام 2003 ، كان من الصعب تنفيذه.

الآن ، يقترب قياس جديد لـ 'دقات' نواة الثوريوم 229 خطوة أقرب إلى تحقيق حلم الساعة النووية.

تم اقتراح عدد كبير من التطبيقات والتحقيقات في حالة 229mTh ، بدءًا من ليزر جاما النووي ، وساعة نووية أيونية دقيقة للغاية ومستقرة إلى ساعة نووية صلبة صلبة مضغوطة ، كتب الباحثون في ورقتهم .

ستسمح مثل هذه الساعات بالوصول إلى مستوى جديد من الدقة لتحقيقات الفيزياء الأساسية ، على سبيل المثال ، اختلاف في الثوابت الأساسية ، والبحث عن المادة المظلمة ، أو ك موجة الجاذبية كاشف. يمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة ، مثل الجيوديسيا أو الملاحة عبر الأقمار الصناعية.

إليك كيف تعمل الساعة الذرية. ذرات عنصر معين مثلالسترونشيومأوالإيتربيوميتم تشعيعها بالليزر. يؤدي هذا إلى إثارة الإلكترونات في الأصداف الذرية ، مما يجعلها تتأرجح ذهابًا وإيابًا بين حالتين للطاقة. تنتج هذه التذبذبات عن طريق التحولات بين مستويات الطاقة ، والتي تثيرها أطوال موجية محددة من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

يجب أن تعمل الساعة النووية وفقًا لنفس المبدأ ، باستثناء أن النواة نفسها تتأرجح بدلاً من الإلكترونات.

لكن معظم النوى الذرية لها طاقات انتقالية عالية ، في نطاق كيلو إلكترون فولت إلى ميغا إلكترون فولت. من أجل الإثارة الكافية للتذبذب ، تحتاج هذه النوى إلى قدر كبير جدًا من الطاقة - فكر في أشعة جاما أو الأشعة السينية بدلاً من أشعة الليزر - مما يجعلها غير عملية للغاية لاستخدامها في ضبط الوقت. ليس لدينا تقنية ليزر قادرة على هذه الطاقات.

الاستثناء الملحوظ هنا هو الثوريوم -229. من بين آلاف النوى الذرية المعروفة ، الحالة المثارة لنواة الثوريوم 229 هي إلى حد بعيد الأدنى المعروف ، في نطاق الكترون فولت. إنه منخفض جدًا بحيث يمكن إحداثه عن طريق الأشعة فوق البنفسجية.

هذه أخبار رائعة لجهودنا نحو ساعة ذرية ، لكننا بعيدون عن الوطن حتى الآن. من أجل معرفة الطول الموجي الدقيق للأشعة فوق البنفسجية المطلوبة لإثارة النواة ، وبالتالي تقنية الليزر المطلوبة ، نحتاج إلى قياس التغير الدقيق في الطاقة بين الحالة الأرضية والحالة المثارة.

تم إجراء عدة محاولات ، وكل منها ضيقت الأمر قليلاً. لكن المجهود الجديد الذي قاده الفيزيائي توماس سيكورسكي من جامعة هايدلبرج في ألمانيا ربما يكون الأكثر دقة حتى الآن.

قام الفريق بقياس إشعاع جاما المنبعث حيث يتحلل نظير اليورانيوم 333 إلى ايزومرات مختلفة ، أو تكوينات جزيئية ، من الثوريوم 229 ، بما في ذلك أيزومير الثوريوم 229 م. تم استخدام هذه التقنية من قبل ، حيث تم إرجاع نتائج 7.6 إلكترون فولت و 7.8 إلكترون فولت في 2007 و 2009 على التوالى.

ومع ذلك ، استخدم فريق سيكورسكي طريقة جديدة وأكثر دقة لقياس إشعاع جاما. لقد صمموا مقياسًا دقيقًا مغناطيسيًا مبردًا كمقياس طيف أشعة جاما. تصطدم أشعة جاما بصفيحة الامتصاص وتتحول إلى حرارة. ثم يتم تحويل هذا إلى تغيير مغنطة في المستشعرات ، والتي يمكن ترجمتها إلى طاقة الانتقال.

'هذه التجربة تكمل تجربة تحويل الإلكترون حيث يتم استخلاص طاقة الأيزومر مباشرة من البيانات التجريبية ، دون اللجوء إلى الحسابات ،' كتب الباحثون في ورقتهم . 'عدم اليقين الوحيد المهم في تجربتنا هو الخطأ الإحصائي.'

باستخدام تقنية القياس الجديدة هذه ، وجد الفريق أن الطاقة الانتقالية تساوي 8.1 إلكترون فولت ، وهو ما يتوافق مع طول موجة الإثارة البالغ 153.1 نانومتر.

هذا قريب جدا من قياس تم إجراؤه في العام الماضي باستخدام تقنية مختلفة وجدت أن الطاقة تساوي 8.28 إلكترون فولت ، وهو ما يقابل طول موجي 149.7 نانومتر. لذلك ، يبدو أننا نقترب بالفعل ، وأشعة الليزر في نطاق الطول الموجي هذا ليست مستحيلة - نحتاج فقط إلى بنائها.

نظرًا لأن عدم اليقين الوحيد ، كما لاحظ الباحثون ، هو إحصائي ، فإن إجراء عدد كبير من القياسات يجب أن يقلل من عدم اليقين بشكل كبير. مما يعني أن الساعة النووية أصبحت الآن أكثر قابلية للتحقيق من أي وقت مضى.

تم نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.