Ceas nuclear: măsurarea timpului din nucleul unui atom, o căutare care urmează să fie finalizată în curând ?

Postat pe 13.11.2020 la 11:13 a.m.

Noile rezultate evidențiază mari progrese în cursa pentru „ceasul nuclear”, un model de ceas care, dacă este viabil, ar oferi o precizie de zece ori mai mare în măsurarea timpului decât ceasul atomic actual.

Ilustrație artistică a unui atom.

Piotr Siedlecki/Creative Commons

Știați că un ceas atomic ar încetini cu mai puțin de o secundă dacă este lăsat să funcționeze timp de 15 miliarde de ani, mai mult decât vârsta Universului? Ceasurile noastre din cuarț câștigă sau pierd în medie o secundă la fiecare două luni! Acesta este întregul punct al ceasurilor atomice: măsurarea timpului cu o precizie extraordinară, necesară pentru buna funcționare a multor tehnologii din viața noastră de zi cu zi, de la GPS la Web, inclusiv software de tranzacții bancare.

În realitate, orice cauzează mișcări repetitive poate servi drept ceas. Atomii, care au o frecvență naturală, în special. Primele ceasuri bazate pe tranzițiile dintre nivelurile de energie ale atomilor au fost dezvoltate în anii 1950. Convins de precizia și stabilitatea inegalabilă a acestor dispozitive, Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri s-a pronunțat în 1967 cu privire la definirea celui de-al doilea: corespunde la „durata a 9,192,631,770 perioade ale radiației corespunzătoare tranziției între nivelurile hiperfine F = 3 și F = 4 ale stării fundamentale 6S½ a atomului de cesiu 133”. scuze ?

De la electroni la nucleu

Desigur, lucrurile pot fi prezentate mai simplu: atunci când un atom de cesiu este bombardat cu energie, de exemplu printr-un simplu semnal electromagnetic, acesta vibrează. Într-un atom, energia poate lua doar valori discrete (conform modelului lui Niels Bohr) numite „niveluri de energie”. Când un atom de cesiu-133 primește o undă electromagnetică la o anumită frecvență, acesta trece de la o stare de energie scăzută la o stare de energie mai mare, de la starea F = 3 la starea F = 4. Apoi, reemite energia absorbită în exact 1/9,192,631,770 secunde. Putem, de asemenea, să vedem lucrurile diferit: după ce au vibrat 9.192.631.770, a trecut o secundă !

Provocare tehnologică

De la electroni la nucleu

Provocare tehnologică

Un candidat promițător pentru realizarea dezvoltării unui ceas nuclear este nucleul unui atom de toriu-229. „Din 1976, s-a presupus că Toriu-229 necesită cea mai mică excitație nucleară cu consum intensiv de energie”, își amintește Thorsten Schumm. Mult mai târziu, în 2003, cercetătorii Ekkehard Peik și Christiam Tamm de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (agenția germană de metrologie) au sugerat ca această tranziție nucleară să fie utilizată ca referință pentru un ceas nuclear (E. Peik et C. Tamm, Europhys. Lett. 61.181, 2003). „În ultimii ani, întrebarea a fost dacă energia de excitație ar fi suficient de scăzută pentru a fi în raza de acțiune a laserelor”, continuă cercetătorul.

Studiul semnat de acesta permite răspunsul afirmativ la această întrebare: potrivit ei, este posibil ca un nucleu de tor să ajungă la cea mai slabă stare excitată pur și simplu prin radiații ultraviolete cu un laser. „Odată ce această realizare este realizată într-o manieră controlată, un ceas nuclear ar putea fi apoi proiectat prin măsurarea frecvenței de oscilație a miezului de toriu pe măsură ce trece de la toriu-229 la toriu-229m. Dar construcția acestui laser rămâne. provocare ”, recunoaște fizicianul.

Și ce provocare. După cum ne putem imagina, construirea unui ceas care se bazează pe tranzițiile energetice ale nucleului este departe, departe de a fi un dezastru. Necesită un sistem dedicat foarte specific. Cea mai mare dificultate constă în faptul că cantitatea de energie necesară pentru a trece de la starea fundamentală la primul nivel de excitație nu este încă cunoscută cu suficientă precizie. Fără aceste date, este imposibil să se determine lungimea de undă exactă a luminii UV care provoacă o astfel de tranziție. Un alt obstacol major: deficitul semnalului „relevant”. Într-adevăr, doar un eveniment de decădere din 10.000 conține informații de interes pentru energia stării excitate de 229Th! Ceea ce face măsurarea foarte lungă, seturile de date cuprinzând câteva luni de achiziție continuă.

Un microcalorimetru cu rezoluție de neegalat

Christian Enss și Andreas Fleischmann de la Institutul de Fizică Kirchhoff de la Universitatea din Heidelberg, Germania, de asemenea co-autori ai studiului, au reușit totuși să facă un pas important pentru a depăși această problemă: dezvoltarea unei noi stări -spectrometrul gamma de artă și, mai precis, al unui microcalorimetru magnetic răcit la o fracțiune de grad peste zero absolut (-273 ° C), capabil să detecteze aceste „raze gamma UV” cu energie scăzută emise în timpul trecerii Toriu-229m la Toriu-229. Aceasta monitorizează creșterea minusculă a temperaturii care are loc de fiecare dată când o rază gamma este absorbită în dispozitiv. Deși tehnica este similară cu cea raportată în studiile anterioare, noile măsurători efectuate de echipa de la Universitățile din Viena și Heidelberg au produs valori mult mai precise pentru energia toriei-229m datorită rezoluției calorimetrului lor.

Rămâne, așadar, o ispravă de realizat înainte de a reuși să producă un ceas atomic funcțional: să reușească să excite direct starea de energie scăzută a Toriu-229 folosind laserul. „Până în prezent, metodele care au făcut posibilă realizarea acestei stări au fost dezintegrarea nucleară (Uraniu-233 până la Toriu-229) sau pomparea razelor X către stări nucleare mai excitate ale Toriu-229. Este cunoscut Toriu-229m ca singurul nivel nuclear accesibil cu laser. Cu toate acestea, nimeni nu a făcut-o încă. " Acesta este în prezent întregul obiectiv al ThoriumNuclearClock, un proiect european de cercetare demarat în februarie 2020. Până în 2026, va avea ca scop dezvoltarea primului ceas de la nucleul atomic al Thorium. Cea mai precisă vreodată.

Primiți actualizări gratuite de știri în fiecare dimineață