Физики измерили низкоэнергетический ядерный переход тория-229

Физики из Германии и Австрии смогли возбудить атомы тория-229 (Th-229) при помощи лазера и измерить характеристики низкоэнергетического перехода возбужденных изомеров в основное состояние. Период полураспада возбужденных атомов с энергией 8,4 электронвольта составил 1740 секунд. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Резонансное возбуждение элементарных квантовых систем лазерным излучением лежит в основе многих экспериментов в физике, таких как спектроскопия атомов и молекул, атомные часы или квантовая обработка информации. Ядро тория-229 известно своим уникальным низкоэнергетическим изомерным состоянием с энергией 8,4 электронвольта. Из-за этой энергии спектральный диапазон перехода в основное состояние оказывается в области вакуумного ультрафиолета, что делает его доступным для экспериментов с настольными лазерными системами и средствами прецизионной метрологии оптических частот. Физики полагают, что благодаря этим свойствам торий-229 можно использовать для создания атомных часов беспрецедентной точности. Однако возбудить лазером низкоэнергетический переход тория-229 до сих пор не получалось.

Это удалось наконец сделать группе физиков под руководством Торстена Шумма (Thorsten Schumm) и Эккехарда Пайка (Ekkehard Peik) из Атомного института Технического университета Вены и Физико-технического федерального института в Брауншвейге. Для этого ученые облучали при помощи настраиваемой лазерной системы кристаллы фторида кальция (CaF₂), допированные торием-229 (Th-229). Диапазон длины волны фотонов, испущенных лазером, был 148,3–149,1 нанометра, что соответствует неопределенности, с которой известна энергия перехода тория-229. Флюоресценция кристалла собиралась при помощи оптической системы и регистрировалась при помощи фотоэлектронного умножителя.

В результате физикам удалось зарегистрировать флюоресценцию у двух облученных кристаллов, допированных разной концентрацией тория-229. При этом контрольный образец, допированный торием-232, не флюоресцировал, а также не наблюдалось флюоресценции тория-229, облученного на других длинах волн. По словам ученых, это подтверждает предположение, что им удалось зарегистрировать искомый переход тория-229. Кроме того, физики измерили период полураспада возбужденных состояний, который составил примерно 1740 секунд для изомера в вакууме.

Ученые считают, что это исследование позволит в дальнейшем создать атомные часы с самой высокой точностью.

Кстати, точность атомных часов можно повысить, например, при помощи квантового запутывания.