Moderne atoomklokken zijn de meest nauwkeurige meetinstrumenten die momenteel beschikbaar zijn. De beste huidige instrumenten wijken in 30 miljard jaar slechts één seconde af. Echter, zelfs dit buitengewone niveau van precisie kan worden verbeterd. Inderdaad, een klok gebaseerd op een aangeslagen nucleaire toestand van thorium-229 zou het mogelijk moeten maken om de timingnauwkeurigheid met een andere orde van grootte te verbeteren.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundige Peter Thirolf van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München met institutionele medewerkers heeft een belangrijke stap gezet in de richting van zo'n klok. De nieuwe studie is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

In de krant, de auteurs melden dat ze erin zijn geslaagd de energie te kwantificeren die vrijkomt bij het verval van de aangeslagen thorium-229-kern, wat een essentiële voorwaarde is voor de realisatie van een op thorium gebaseerde nucleaire klok.

In tegenstelling tot de huidige atoomklokken, die gebruik maken van oscillaties in de buitenste elektronenschillen van atomen, nucleaire klokken gebruiken oscillaties in de kern als hun tijdwaarnemer. In beide gevallen, de oscillaties zijn het product van overgangen tussen gedefinieerde energieniveaus, die kan worden geëxciteerd door laserlicht van een bepaalde golflengte. Typisch, de energieën die nodig zijn om oscillaties op te wekken in de overgrote meerderheid van atoomkernen zijn orden van grootte hoger dan die nodig zijn om overgangen in de orbitale schillen van elektronen te stimuleren - wat het gebruik van conventionele lasers voor dit doel uitsluit. Echter, er is maar één levensvatbare kandidaat voor de ontwikkeling van een nucleaire klok:de thorium-229-kern. De aangeslagen toestand bevindt zich op een energie die verreweg de laagste is van alle toestanden die worden aangetroffen in de ongeveer 3800 momenteel bekende atoomkernen. Bestraling met UV-licht, wat binnen de mogelijkheden van lasers ligt die nu beschikbaar zijn, is voldoende om deze aangeslagen toestand te bevolken.

Echter, tot nu toe, de precieze energie die nodig is om het aangeslagen thorium-229 te genereren, is onbekend gebleven. "Om de nucleaire transitie te induceren, de golflengte van het laserlicht moet zo worden afgestemd dat deze exact overeenkomt met de overgangsenergie. Het is ons nu voor het eerst gelukt om dit precies te meten, " zegt Benedict Seiferle, hoofdauteur van het nieuwe artikel.

Voor deze metingen is uitgevoerd bij LMU, de auteurs van de studie maakten gebruik van het dubbel geladen thorium-229-kation. Bronnen die dit kation in de aangeslagen nucleaire toestand leverden, werden ontwikkeld in Mainz en vervolgens in een speciale ionenval geplaatst die bij LMU was ontwikkeld. De aangeslagen toestand van het kation heeft een levensduur van uren. Dit is relatief lang voor een aangeslagen nucleaire toestand en is cruciaal voor de toekomstige ontwikkeling van de klok, maar het belemmert de meting van de vervalenergie. "Deze lange levensduur betekent dat verval naar de grondtoestand slechts zelden voorkomt. Aangezien het meten van dit verval het doel van ons experiment was, we hebben misbruik gemaakt van het feit dat verval snel optreedt wanneer de kationen de kans krijgen om de ontbrekende elektronen te verzamelen, ' zegt Seiferle.

Om elektronen te leveren, Seiferle en collega's leidden de ionen door een laag grafeen. Op zijn weg door deze laag, elk ion neemt twee elektronen op en komt aan de andere kant naar voren als een neutraal atoom. Dankzij deze gecontroleerde neutralisatiestap, de aangeslagen toestand vervalt dan binnen enkele microseconden naar de grondtoestand. De geneutraliseerde atomen verdrijven een elektron uit een buitenste atoomschil, waardoor een positief geladen thorium-229-ion wordt gegenereerd. De kinetische energie van het vrije elektron hangt af van de excitatie-energie van de nucleaire toestand en wordt bepaald met behulp van een elektronenspectrometer. Echter, deze energie is slechts een fractie van de energie die wordt gebruikt om de aangeslagen kerntoestand te genereren. De rest blijft in het thorium-229, wat de interpretatie van de resulterende spectra complex maakt. Om dit probleem te omzeilen, de auteurs van het Max-Planck Instituut voor Theoretische Fysica in Heidelberg berekenden de te verwachten spectra. Met behulp van deze voorspellingen en in samenwerking met hun collega's in Wenen en Bonn, het team in München was toen in staat om de energie te bepalen die daadwerkelijk verband hield met het verval van de aangeslagen nucleaire toestand.

Het resultaat geeft aan dat de thorium-229-kern tot dit niveau kan worden geëxciteerd door bestraling met laserlicht met een golflengte van ongeveer 150 nanometer. Nu kunnen lasers worden geconstrueerd die specifiek zijn ontworpen om in dit golflengtebereik uit te zenden. Deze stap brengt de eerste nucleaire klok een heel stuk dichter bij de praktische realisatie. De onderzoekers geloven dat een op thorium gebaseerde nucleaire klok nieuwe wegen zal openen in de basiswetenschappen, maar zal ook veel toepassingen vinden, die alleen mogelijk worden op basis van uiterst nauwkeurige metingen in het tijdsdomein.