Zegar jądrowy z torem-229 zdradza cztery różne oblicza w jednym krysztale

Koncepcja zegara jądrowego opierała się na prostym założeniu: skoro wahadło takiego urządzenia znajduje się głęboko wewnątrz atomu, powinno być znacznie odporniejsze na wpływ otoczenia niż elektrony, na których bazują klasyczne zegary atomowe. Najnowsze badania pokazują jednak, że jądro atomowe nie jest w pełni izolowane od świata zewnętrznego. Analiza kryształu zawierającego tor-229 ujawniła cztery odrębne mikroskopowe środowiska, które oddziałują na przejścia energetyczne tego izotopu.

Zegar jądrowy już działa. Teraz trzeba go dopracować

Koncepcja zegara jądrowego wyszła już poza sferę teorii. W czerwcu Spider's Web informował o zbudowaniu pierwszego działającego urządzenia tego typu, opartego na torze-229. Jego konstrukcja różni się od tradycyjnych zegarów atomowych w jednym zasadniczym punkcie.

Klasyczny zegar atomowy odwołuje się do bardzo stabilnych przejść energetycznych zachodzących w elektronach. Zegar jądrowy sięga głębiej, bazując na przejściu między stanami samego jądra atomu. Tor-229 wyróżnia się tu na tle innych izotopów, bo posiada wyjątkowo niski stan wzbudzony jądra, dostępny za pomocą lasera o długości fali około 148 nm. To rzadkość w fizyce jądrowej, gdzie zwykle potrzeba dużo wyższych energii, by wywołać takie przejścia.

Jedną z bardziej obiecujących metod praktycznego wykorzystania tego zjawiska jest umieszczenie olbrzymiej liczby jąder toru-229 w niewielkim, przezroczystym krysztale fluorku wapnia. Zamiast utrzymywać pojedyncze atomy w skomplikowanych pułapkach, badacze otrzymują fragment materiału, w którym roi się od potencjalnych wahadeł zegarowych. Problem w tym, że sam kryształ okazał się mieć na te jądra realny wpływ.

Ten sam tor trafia w cztery różne miejsca

Grupa naukowców z różnych krajów, prowadzona przez Takahiro Hirakiego z Uniwersytetu Okayama, przeanalizowała trzy kryształy fluorku wapnia różniące się koncentracją toru-229. W eksperymencie zastosowano bardzo precyzyjny laser działający w próżniowym ultrafiolecie, którego częstotliwość skrupulatnie przesuwano w otoczeniu przejścia jądrowego toru. Uzyskane widmo nie ograniczało się do jednej wyraźnej linii - zaobserwowano wiele sygnałów, których intensywność różniła się nawet o trzy rzędy wielkości.

Rozłożenie tych sygnałów wykazało, że jądra toru zajmują w strukturze kryształu cztery odmienne typy mikroskopowych pozycji. Oznacza to, że dwa jądra tego samego izotopu, choć umieszczone w z pozoru jednakowym materiale, mogą znajdować się w zupełnie innym najbliższym sąsiedztwie.

Ten fakt ma kluczowe konsekwencje dla działania zegara. Atomy otaczające tor generują lokalne pola elektryczne, które nieznacznie modyfikują poziomy energetyczne jądra. Dla przeciętnego urządzenia taka różnica byłaby znikoma i pozbawiona znaczenia. W przypadku zegara opierającego się na jednej niezwykle precyzyjnej częstotliwości staje się jednak istotną przeszkodą.

Kryształ robi z jednego zegara kilka lekko różnych

Zjawisko to można porównać do zestawu identycznych kamertonów. Z założenia każdy z nich powinien generować identyczny ton. Jeśli jednak jeden postawimy na drewnianej powierzchni, drugi na metalowej, a trzeci przykręcimy solidnie do stołu, ich brzmienie zacznie się nieznacznie różnić. Z jądrami toru zachodzi analogiczny mechanizm, choć w zupełnie innej skali.

Dwie najliczniej występujące konfiguracje odpowiadały łącznie za ponad 90 proc. rejestrowanego sygnału ultrafioletowego. Zestawiając wyniki spektroskopii z modelowaniem struktury materiału, naukowcy oszacowali, jak te układy prawdopodobnie wyglądają.

W pierwszym wariancie atom toru zajmuje pozycję zwykle przypisaną wapniowi, przy czym w bezpośrednim sąsiedztwie nie występują atomy neutralizujące jego nadwyżkowy ładunek. W drugim wariancie dwa atomy toru zajmują sąsiadujące miejsca wapnia. Każde z tych otoczeń wytwarza inny układ lokalnego pola elektrycznego, co przekłada się na odmienne rozszczepienie poziomów energetycznych jądra.

Zmierzyli nawet, jak długo jądro pozostaje wzbudzone

Naukowcy mieli możliwość wzbudzania toru znajdującego się w poszczególnych konfiguracjach niezależnie od siebie i obserwowania jego reakcji. Czas trwania stanu wzbudzonego wynosił około 630 sekund, a w tym aspekcie różnice między poszczególnymi miejscami były niewielkie.

Znacznie wyraźniejsze rozbieżności ujawniły się w procesie wygaszania. To moment, w którym energia zgromadzona w stanie wzbudzonym rozprasza się inną drogą, niż produkując czysty sygnał potrzebny do pracy zegara. Efektywność tego procesu w dużej mierze zależała od tego, jaką pozycję w krysztale zajmował tor. Znając konfigurację, która dobrze zatrzymuje wzbudzenie, oraz tę, która ułatwia jego rozproszenie, można w przyszłości projektować kryształy tak, by maksymalizować udział jąder w korzystnym środowisku.

Do uchwycenia tych różnic posłużyła laserowa spektroskopia Mössbauera. Klasyczna wersja tej metody stosowana jest od dekad do badania subtelnych interakcji jąder atomowych z otaczającą materią, ale tradycyjnie opiera się na promieniowaniu gamma i odpowiednich źródłach radioaktywnych.

Tor-229 otworzył drogę do niecodziennej odmiany tego eksperymentu. Ponieważ jego przejście jądrowe wymaga wyjątkowo niskiej energii, można je wzbudzać bezpośrednio za pomocą lasera ultrafioletowego. Naukowcy zyskali w ten sposób narzędzie przypominające mikroskop, który nie tworzy obrazu atomów, lecz odczytuje ich otoczenie na podstawie mikroskopijnych przesunięć energii jądra. To właśnie ta metoda pozwoliła zrekonstruować cztery odmienne pozycje toru w strukturze kryształu.

Najdokładniejsze zegary atomowe nadal są lepsze

Nie należy jednak wyciągać wniosku, że zegar jądrowy zdetronizował już dotychczas budowane urządzenia. Najbardziej precyzyjne obecne zegary atomowe osiągają dokładność, przy której pomyłka o jedną sekundę wymagałaby czasu wielokrotnie przekraczającego wiek Wszechświata. Zegary jądrowe wciąż stawiają pierwsze kroki.

Ich siłą ma być jednak przede wszystkim potencjał rozwojowy. Jądro atomowe jest znacznie mniejsze od całego atomu i lepiej osłonięte przed wieloma czynnikami zewnętrznymi. Zastosowanie kryształu umożliwia z kolei zgromadzenie ogromnej liczby jąder w niewielkiej objętości, co otwiera perspektywę budowy relatywnie kompaktowych urządzeń.

Nowe badanie dowodzi jednocześnie, że sama idea umieszczenia zegara w jądrze atomu nie eliminuje automatycznie wszystkich trudności. Aby w pełni wykorzystać potencjał tej technologii, konieczna będzie kontrola nad tym, jacy dokładnie sąsiedzi znajdują się w bezpośrednim otoczeniu pojedynczego atomu toru w krysztale. Na tym poziomie precyzji nawet wnętrze atomu nie stanowi wystarczająco skutecznej osłony przed wpływem otoczenia.