De kern van thorium-229 heeft een eigenschap die uniek is onder alle bekende nucliden:het moet mogelijk zijn om het te exciteren met ultraviolet licht. Daten, er is weinig bekend over de lage energietoestand van de Th-229-kern die verantwoordelijk is voor deze eigenschap. Samen met hun collega's uit München en Mainz, onderzoekers van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hebben nu voor het eerst - met behulp van optische methoden - metingen verricht van enkele belangrijke eigenschappen van deze nucleaire toestand, zoals de vorm van de ladingsverdeling. Op deze manier, een laserexcitatie van de atoomkern kan worden gevolgd, waardoor een optische nucleaire klok kan worden gerealiseerd die nauwkeuriger "tikt" dan de huidige atoomklokken. De wetenschappers hebben hun resultaten gerapporteerd in het huidige nummer van Natuur .

Al zo'n 15 jaar geleden, Ekkehard Peik en Christian Tamm ontwikkelden het concept van een nieuwe atoomklok met unieke eigenschappen bij PTB in Braunschweig:in plaats van een overgangsfrequentie tussen twee toestanden in de elektronenschil te gebruiken als de pulsgenerator van hun klok, zoals het geval is bij alle atoomklokken die tegenwoordig worden gebruikt, ze voorzagen het gebruik van een overgangsfrequentie in de kern. Omdat de protonen en neutronen in de kern verschillende ordes van grootte dichter op elkaar zitten dan de elektronen in de atomaire schaal, ze reageren minder gevoelig op storingen van buitenaf die hun overgangsfrequenties kunnen veranderen - en bieden zo goede voorwaarden voor een zeer nauwkeurige klok.

Echter, de frequenties van kernovergangen zijn ook veel hoger dan die van schilovergangen (in het röntgenbereik); om deze reden, ze zijn onbruikbaar voor atoomklokken, die, daten, uitsluitend gebaseerd zijn op microgolven of laserlicht. De enige bekende uitzondering, en de basis van het voorstel van PTB, is de kern van thorium-229. Deze kern heeft een quasi-stabiele, isomere nucleaire toestand bij uitzonderlijk lage excitatie-energie. Dus, een overgang bestaat tussen de grondtoestand en dit isomeer, die in het frequentiebereik van ultraviolet licht ligt, en dus binnen het bereik van lasertechnologie die vergelijkbaar is met die van de huidige optische atoomklokken.

Meer dan tien onderzoeksgroepen over de hele wereld werken momenteel aan projecten rond de haalbaarheid van een thorium-229 nucleaire klok. In experimentele termen, deze kwestie is buitengewoon moeilijk gebleken. Om deze reden, er is tot nu toe geen succes geboekt bij het observeren van de nucleaire transitie met behulp van optische methoden, aangezien kennis van de precieze excitatie-energie van het isomeer slechts bij benadering is geweest. "Zoals gewenst voor de klok, de resonantie van de overgang is extreem scherp en kan alleen worden waargenomen als de frequentie van het laserlicht precies overeenkomt met het energieverschil van beide toestanden. Het probleem lijkt dus op het spreekwoordelijke zoeken naar een speld in een hooiberg, " zegt dr. Peik.

in 2016, De samenwerkingspartners van Dr. Peik aan de Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München rapporteerden over hun eerste doorbraak in Natuur :Voor de eerste keer, ze waren in staat om de nucleaire overgang binnen de thorium-229-kern te bewijzen, hoewel de methoden die ze gebruikten heel anders waren dan die voor een atoomklok.

Dit gezamenlijke onderzoeksproject - dat, naast PTB- en LMU-wetenschappers, omvat ook wetenschappers van de Johannes Gutenberg University Mainz, het Helmholtz Instituut Mainz en GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt - heeft nu weer een beslissende stap gezet:voor de eerste keer, het is mogelijk geweest om basiseigenschappen zoals de grootte en vorm van de ladingsverdeling te meten in de aangeslagen toestand van de Th-229-kern. Hiertoe, de Th-229-kernen werden niet geëxciteerd vanuit hun grondtoestand (zoals in de toekomst in de klok zal gebeuren); in plaats daarvan, in een apparaat ontwikkeld door LMU, ze werden verkregen in de aangeslagen toestand van het alfa-verval van uranium-233, vertraagd en opgeslagen als Th2+-ionen in een ionenval. Een hiervoor geschikte uranium-233-bron werd geleverd door de groepen in Mainz en Darmstadt. Door middel van bij PTB ontwikkelde lasersystemen voor de spectroscopie van deze ionen, het was mogelijk om overgangsfrequenties in de elektronenschil nauwkeurig te meten. Omdat deze frequenties direct worden beïnvloed door de nucleaire eigenschappen, ze kunnen worden gebruikt om informatie over deze eigenschappen te verkrijgen. Daten, modellen die uitsluitend op theorie zijn gebaseerd, hebben niet kunnen voorspellen hoe de structuur van de Th-229-kern zich zal gedragen tijdens deze ongewoon lage energietransitie. Verder, omdat de structuur van de elektronenschil gemakkelijker te meten is met spectroscopie, het is mogelijk geworden om het te gebruiken om een ​​laserexcitatie van de kern aan te tonen.

Echter, zelfs als dit niet betekent dat de zoektocht naar de optische resonantiefrequentie van de Th-229-kern (de "naald in de hooiberg") is voltooid, we weten nu hoe de naald er in het echt uitziet, brengt ons een belangrijke stap dichter bij de optische atoomklok.