Физики обнаружили переход с самой низкой энергией в атоме тория-229

Физики зарегистрировали самый узкий энергетический переход из всех известных возбужденных состояний атома. Они обнаружили его в атомах тория-229, которые встраивали в кристаллическую решетку твердого тела и облучали ультрафиолетом. Препринт работы опубликован на arXiv.org.

То, какие фотоны излучают или поглощают атомы, зависит от их энергетической структуры. Чем больше расстояние между уровнями атома, тем выше частота фотона, который излучит или поглотит атом при переходе с одного уровня на другой. Конфигурация уровней меняется не только от атома к атому, но и, например, при попадании атома в магнитное поле. Оно превращает один уровень в несколько близкостоящих (это называется расщеплением уровней). Расстояние между этими уровнями оказывается небольшим и отлично подходит для создания атомных часов. Причем чем меньше расстояние, тем точнее получается создать часы. Сложность в том, чтобы такой переход обнаружить — для этого требуется очень точно измерять спектры излучения и поглощения атома.

Такую точность может обеспечить эффект Мёссбауэра (или ядерный гамма-резонанс), который наблюдается только в кристаллах. Эффект состоит в том, что ядра в кристалле могут поглощать или излучать гамма-лучи (фотоны с очень высокими энергиями), а колебания кристаллической решетки кристалла при этом не будут мешать обнаружению излучения. Наблюдать такое поглощение или излучение в газах, например, невозможно из-за того, что ядро испытывает сильную отдачу и спектр его излучения меняется. В твердых телах отдача распространяется по всему кристаллу и не мешает обнаружению гамма-излучения. Поэтому изучать атом в кристалле получается с высокой спектральной точностью — то есть очень точно различать его по длинам волн. Гамма-излучение позволяет очень точно характеризовать переходы между энергетическими уровнями.

Команда физиков из Калифорнийского университета под руководством Эрика Хадсона (Eric R. Hudson) смогла обнаружить состояния с самой низкой энергией из всех известных возбужденных состояний. Они исследовали кристалл LiSrAlF₆, в кристаллическую решетку которого встраивали атомы тория-229 (этот процесс называют допированием), и с помощью лазерного излучения зарегистрировали в нем изомерный ядерный переход.

Для облучения кристалла физики вакуумный ультрафиолетовый лазер и искали переход в диапазоне 147,43 нанометра — 182,52 нанометра. Они сравнивали излучение от участков без атомов тория и с ним, и заметили отличие в спектрах флуоресценции. Кроме того, они обнаружили узкие спектральные линии на длине волны 148,38219 нанометра (усредненное значение), которые затухают за 568 секунд (усредненное значение). В кристалле, допированном торием-232 такого явления им обнаружить не удалось.

Чтобы интерпретировать результаты, авторы смоделировали структуру кристаллов и предположили, что быстрая флуоресценция, которую они планируют наблюдать, происходит из-за взаимодействия ядер тория-229 с электронной и фононной степенями свободы кристалла. Эта взаимосвязь может объяснить почему на наблюдаемый узкий изомерный переход влияет только количество допированных в него атомов тория-229.

В экспериментах физики измеряли результирующую флуоресценцию от кристаллов после облучения их вакуумным ультрафиолетовым лазером. Они исследовали четыре разных кристалла, которые прозрачны для ультрафиолета: два из них были допированы торием-229 с разными его концентрациями, один был допирован торием-232 и еще один не содержал атомов тория.

Во время эксперимента кристалл помещали в вакуумную камеру в атмосфере аргона вместе с двумя фотодетекторами с заслонкой, чтобы предотвратить их прямую засветку от лазера. На этой установке ученые пытались зарегистрировать флуоресценцию кристалла с временем жизни порядка тысячи секунд и потратили на это больше трех лет.

Физики следили за числом фотонов, которые излучает кристалл на разных длинах волн, нормировали это значение на мощность, учитывали шум, набирали статистику и обрабатывали ее. Кроме того, они строили спектр поглощения кристалла для проверки того, что на предполагаемой длине волны возникает резонанс. Авторам удалось зарегистрировать флуоресценцию кристалла на небольших временах (50 секунд) и они перешли к следующим экспериментам, изменяя время облучения кристалла и время наблюдения. Оказалось, что спектры кристаллов с торием-232 и торием-229 отличались наличием во втором узкого пика поглощения, в остальном они были схожи.

Физики заметили, что только небольшой процент атомов тория-229 в кристалле вносят вклад в излучение гамма-фотонов и продолжили эксперименты. Им удалось оптимизировать параметры детектирования сигнала и получить согласование эксперимента с начальным предсказанием.

Попытки зарегистрировать исследуемый переход начались еще 50 лет назад и только сейчас, благодаря высокой спектральной точности, этого удалось добиться. Недавно другая команда физиков обнаружила его в другом кристалле (фторида кальция), а обнаружение одинакового перехода в разных кристаллах подтверждает теоретические предсказания и то, что зарегистрирован искомый переход. Кроме того, авторы работы показали, как меняются свойства перехода (частота и ширина спектра излучения) в разных условиях.

Использовать обнаруженный узкий переход можно для создания точных атомных часов. Такие часы уже получилось сделать на атомах радия, для атомов тулия подобрать механизм, увеличивающий точность, а часы на атомах стронция запутать (тоже для увеличения точности). Эксперименты по облучению тория-229 тоже проводили, но в другой конфигурации, без встраивания в кристалл.