17 декабря 2021

Петербургский институт ядерной физики разрабатывает атомные часы на основе изотопа тория

Создание ядерных часов – одна из тем, которой занимаются ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. В начале декабря стало известно, что одна из работ в этой области – «Изучение распада изомера Тория-229. Поиск электронного моста», выдвинутая Лабораторией физики экзотических ядер Отделения физики высоких энергий Института, получила поддержку Российского научного фонда на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами.

В последующие два календарных года ученым предстоит создать стенд для генерации пучка 1, 2, 3-зарядных ионов основного и изомерного состояния тория-229, идентифицировать распад изомера через механизм электронного моста и определить оптимальные условия для заселения изомера лазерным излучением с целью последующего точного определения энергии изомера.

Тема ядерных часов вызывает чрезвычайный интерес мировой научной общественности, особенно с момента открытия на пороге 2016 года изомера 229mTh с ничтожно малой для ядра энергией возбуждения около 7 эВ. Находясь в оптической зоне энергий, то есть подвластной оптической накачке, это изомерное состояние, в то же время, защищено от деструктивного влияния внешних полей на частоту ядерного перехода, который, благодаря этому, может стать добротным эталоном частоты. Кроме того, энергия изомерного перехода в основном определяется вкладом сильного взаимодействия. Во всех существующих в настоящее время стандартах частоты определяющим является электромагнитное взаимодействие. Ядерная изомерия создает возможность изучения временной стабильности ряда фундаментальных констант. Таких преимуществ нет ни у одного из известных до настоящего времени эталонов частоты (времени), дающих метрологические данные, необходимые для всех областей науки, техники и повседневной жизни.

Лаборатория Физики Экзотических Ядер (ЛФЭЯ) НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, наряду с другими зарубежными лабораториями, включилась в процесс изучения этого необычного изомера, приняв участие в работах по созданию генератора ионов изомера в циклотронной лаборатории г. Ювяскюля (Финляндия). ЛФЭЯ занимается созданием стенда для исследования свойств изомера 229mTh в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ .

Усилиями, главным образом, лабораторий Университета Мюнхена и метрологического центра в Брауншвайге (Германия) были определены энергия (8.12 ±0.11 эВ), магнитный и квадрупольный моменты изомерного состояния, оценено время жизни изомера в одном из ионных состояний, и его спин (3/2). Эта информация составила костяк данных об изомере, однако она недостаточна для реализации идеи создания эталона частоты (часов).

Для создания ядерных часов требуется знание энергии состояния с точностью не хуже 0.001 эВ, то есть почти на два порядка величины лучше, чем измерено на сегодняшний день. Кроме того, о времени жизни изомера в различных ионных состояниях вообще ничего не известно, тогда как именно время жизни (то есть ширина уровня), определяет важный параметр качества часов (отношения энергии перехода к его ширине). Для ядерных часов он ожидается на много порядков лучше, чем для используемых в настоящее время оптических часов в микроволновом диапазоне (134Cs) .  Следует отметить, что поразительно малая энергия ядерного изомера приводит к его соседству с большим количеством атомных уровней 229Th, имеющих примерно такую же энергию. Это, в свою очередь, может вызвать обилие различных видов разрядки. В основном это могут быть конверсия на связанные электронные состояния.

Особенности распада изомера будут определять спектр его возможных приложений. Вероятность заселения изомера с использованием атомной оболочки так же, как и время жизни изомера, сильно зависят от степени ионизации атома, химического состояния, параметров внешней среды. Изучение изомера в однозарядном ионе и в молекулярных ионах позволит наблюдать и, возможно, варьировать особенности механизма распада через электронный мост.