Впервые перевод атомного ядра тория с помощью лазера в состояние с более высокой энергией и точное определение его возвращения в исходное состояние осуществила команда исследователей Венского технического университета (TU Wien) и Физико-технического федерального университета Брауншвейга (PTB).
В течение многих лет ученые всего мира искали очень специфическое состояние ядер атомов тория, которое обещало возможность больших технических применений, а также новых открытий в области фундаментальной физики. Его, например, можно было бы использовать для создания ядерных атомных часов, которые позволят более точно измерять время, чем существующие в настоящее время атомные часы.
Австрийские и немецкие физики сумели с помощью лазера совершить долгожданный ториевый переход с точным определением его энергии: они целенаправленно перевели атомное ядро в состояние более высокой энергии, а затем внимательно следили за его возвращением в исходное состояние.
Это событие станет началом объединения двух областей физики — классической квантовой и ядерной. Решающим фактором для этого стала разработка специальных торийсодержащих кристаллов.
Исследовательская группа под руководством профессора Торстена Шумма из TU Wien представила подробности своего успеха, достигнутого вместе с командой из PTB, в статье «Лазерное возбуждение ядра Th-229», опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Манипулирование атомами или молекулами с помощью лазеров в настоящее время является обычным явлением в научных исследованиях: если длина волны лазера выбрана правильно, вы можете заставить атомы или молекулы переходить из одного состояния в другое. С помощью такой технологии можно очень точно измерять энергии атомов или молекул.
На таком переходе основаны многие методы точных измерений, например, на нем основана работа современных атомных часов, а также методы химического анализа. В квантовых компьютерах лазеры часто используются для записи и считывания информации в атомах или молекулах. Однако долгое время казалось невозможным применить эти методы к атомным ядрам.
Профессор Торстен Шумм пояснил:
«Атомные ядра также могут принимать разные квантовые состояния. Но чтобы заставить атомное ядро перейти из одного состояния в другое, обычно требуется гораздо больше энергии — как минимум в тысячу раз больше энергии, с которой нам приходится иметь дело с электронами в атоме или в молекуле. По этой причине атомными ядрами обычно нельзя манипулировать с помощью лазеров; энергии фотонов просто недостаточно».
Однако атомные ядра представляют собой идеальные квантовые объекты для прецизионных измерений, поскольку они намного меньше атомов и молекул, что делает их значительно менее восприимчивыми к внешним помехам, например, таким как электромагнитные поля. Это позволит проводить измерения с ранее недостижимой точностью.
Предположения, что атомное ядро тория-229 позволит манипулировать своим состоянием с помощью лазера, высказывались еще в 1970-х годах. Они были основаны на том, что у этого ядра есть два настолько близких энергетических состояния, что, в принципе, энергии лазера должно быть достаточно для изменения его состояния. Однако до настоящего времени были лишь косвенные доказательства существования такого перехода.
Некоторые исследователи, пытаясь изучать ядра тория, помещали их по отдельности в электромагнитные ловушки, но команда Торстена Шумма пошла другим путем. Аспирант TU Wien Фабиан Шаден, проводивший исследования совместно со специалистами из PTB, рассказал:
«Мы разработали кристаллы, в которые специально включены в большом количестве атомы тория. Это технически очень сложно, но тут есть то преимущество, что таким образом мы не только изучаем отдельные ядра тория, но и можем одновременно воздействовать лазером на приблизительно 10¹⁷ ядер тория, что примерно в миллион раз больше, чем звезд в нашей галактике. Большое количество ядер тория усиливает эффект, необходимое время измерения сокращается, а вероятность действительно обнаружить искомый энергетический переход увеличивается».
В ноябре 2023 года команда добилась успеха — они точно подобрали необходимую для ториевого перехода энергию, и ториевые ядра впервые подали четкий сигнал о нем. Таким образом, лазерный луч целенаправленно переключил энергетическое состояние ядра Th-229.