Wetenschap
Laserexcitatie van Th-229-kern:Nieuwe bevindingen suggereren dat klassieke kwantumfysica en kernfysica kunnen worden gecombineerd
Natuurkundigen hopen al heel lang op dit moment:wetenschappers over de hele wereld zijn al jaren op zoek naar een zeer specifieke toestand van thoriumatoomkernen die revolutionaire technologische toepassingen belooft. Het zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om een nucleaire klok te bouwen die de tijd nauwkeuriger kan meten dan de beste atoomklokken die momenteel beschikbaar zijn. Het zou ook kunnen worden gebruikt om volledig nieuwe fundamentele vragen in de natuurkunde te beantwoorden, bijvoorbeeld de vraag of de constanten van de natuur daadwerkelijk constant zijn of dat ze veranderen in ruimte en tijd.
Nu is deze hoop werkelijkheid geworden:de lang gezochte thoriumovergang is gevonden en de energie ervan is nu precies bekend. Voor het eerst is het mogelijk om een laser te gebruiken om een atoomkern naar een staat van hogere energie te brengen en vervolgens de terugkeer naar de oorspronkelijke staat nauwkeurig te volgen.
Dit maakt het mogelijk om twee gebieden van de natuurkunde te combineren die voorheen weinig met elkaar te maken hadden:de klassieke kwantumfysica en de kernfysica. Een cruciale voorwaarde voor dit succes was de ontwikkeling van speciale thoriumhoudende kristallen.
Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Thorsten Schumm van de TU Wien (Wenen) heeft dit succes nu samen met een team van het National Metrology Institute Braunschweig (PTB) gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .
Kwantumtoestanden wisselen
Het manipuleren van atomen of moleculen met lasers is tegenwoordig gemeengoed:als de golflengte van de laser precies goed wordt gekozen, kunnen atomen of moleculen van de ene toestand naar de andere worden geschakeld. Op deze manier kunnen de energieën van atomen of moleculen heel nauwkeurig worden gemeten. Hierop zijn veel precisiemeettechnieken gebaseerd, zoals de huidige atoomklokken, maar ook chemische analysemethoden. Lasers worden ook vaak gebruikt in kwantumcomputers om informatie op te slaan in atomen of moleculen.
Lange tijd leek het echter onmogelijk om deze technieken op atoomkernen toe te passen.
‘Atoomkernen kunnen ook schakelen tussen verschillende kwantumtoestanden. Meestal kost het echter veel meer energie om een atoomkern van de ene toestand naar de andere te veranderen – minstens duizend keer de energie van elektronen in een atoom of een molecuul’, zegt Schumm. "Dit is de reden waarom atoomkernen normaal gesproken niet met lasers kunnen worden gemanipuleerd. De energie van de fotonen is simpelweg niet genoeg."
Dat is jammer, want atoomkernen zijn eigenlijk de perfecte kwantumobjecten voor precisiemetingen:ze zijn veel kleiner dan atomen en moleculen en daardoor veel minder gevoelig voor verstoringen van buitenaf, zoals elektromagnetische velden. In principe zouden ze daardoor metingen met een ongekende nauwkeurigheid mogelijk maken.
De naald in de hooiberg
Sinds de jaren zeventig wordt gespeculeerd dat er mogelijk een speciale atoomkern bestaat die, in tegenstelling tot andere kernen, wellicht met een laser kan worden gemanipuleerd, namelijk thorium-229. Deze kern heeft twee zeer dicht bij elkaar gelegen energietoestanden – zo dicht bij elkaar dat een laser in principe voldoende zou moeten zijn om de toestand van de atoomkern te veranderen.
Lange tijd was er echter slechts indirect bewijs voor het bestaan van deze transitie. "Het probleem is dat je de energie van de transitie uiterst precies moet kennen om de transitie met een laserstraal te kunnen induceren", zegt Schumm.
"Het kennen van de energie van deze overgang tot binnen één elektronvolt heeft weinig nut als je de juiste energie moet raken met een nauwkeurigheid van een miljoenste van een elektronvolt om de overgang te detecteren." Het is als zoeken naar een speld in een hooiberg, of proberen een kleine schatkist te vinden die begraven ligt op een kilometer lang eiland.
De thoriumkristaltruc
Sommige onderzoeksgroepen hebben geprobeerd thoriumkernen te bestuderen door ze afzonderlijk op hun plaats te houden in elektromagnetische vallen. Schumm en zijn team kozen echter voor een heel andere techniek.
"We hebben kristallen ontwikkeld waarin grote aantallen thoriumatomen zijn verwerkt", legt Fabian Schaden uit, die de kristallen in Wenen ontwikkelde en samen met het PTB-team mat.
‘Hoewel dit technisch gezien behoorlijk complex is, heeft het als voordeel dat we op deze manier niet alleen individuele thoriumkernen kunnen bestuderen, maar ook ongeveer tien tot de kracht van zeventien thoriumkernen tegelijkertijd met de laser kunnen raken – ongeveer een miljoen keer meer dan er sterren zijn. in onze Melkweg."
Het grote aantal thoriumkernen versterkt het effect, verkort de benodigde meettijd en vergroot de kans op het daadwerkelijk vinden van de energietransitie.
Op 21 november 2023 was het team eindelijk succesvol:de juiste energie van de thoriumovergang werd precies geraakt en de thoriumkernen gaven voor het eerst een duidelijk signaal af. De laserstraal had feitelijk de status gewijzigd. Na zorgvuldig onderzoek en evaluatie van de gegevens is het resultaat nu gepubliceerd.
"Voor ons is dit een droom die uitkomt", zegt Schumm. Sinds 2009 richt Schumm zijn onderzoek volledig op de zoektocht naar de thoriumtransitie. Zowel zijn groep als concurrerende teams van over de hele wereld hebben de afgelopen jaren herhaaldelijk belangrijke gedeeltelijke successen geboekt.
"Natuurlijk zijn we blij dat wij nu degenen zijn die de cruciale doorbraak kunnen presenteren:de eerste gerichte laserexcitatie van een atoomkern", zegt Schumm.
De droom van de atoomkernklok
Dit markeert het begin van een nieuw opwindend tijdperk van onderzoek:nu het team weet hoe ze de thoriumtoestand moeten opwekken, kan deze technologie worden gebruikt voor precisiemetingen. "Vanaf het allereerste begin was het bouwen van een atoomklok een belangrijk langetermijndoel", zegt Schumm.
"Net zoals een slingeruurwerk het slingeren van de slinger als timer gebruikt, zou de oscillatie van het licht dat de thoriumovergang opwekt, kunnen worden gebruikt als timer voor een nieuw type klok dat aanzienlijk nauwkeuriger zou zijn dan de beste atoomklokken. vandaag beschikbaar."
Maar het is niet alleen de tijd die op deze manier veel nauwkeuriger kan worden gemeten dan voorheen. Het zwaartekrachtveld van de aarde zou bijvoorbeeld zo nauwkeurig kunnen worden geanalyseerd dat het aanwijzingen zou kunnen geven over minerale hulpbronnen of aardbevingen. De meetmethode zou ook kunnen worden gebruikt om fundamentele mysteries van de natuurkunde te doorgronden:zijn de constanten van de natuur werkelijk constant? Of kunnen kleine veranderingen misschien in de loop van de tijd worden gemeten?
"Onze meetmethode is nog maar het begin", zegt Schumm. "We kunnen nog niet voorspellen welke resultaten we ermee gaan behalen. Het wordt in ieder geval heel spannend."