Zeitpräzision, der Grundstein vieler moderner Technologien, beruht auf der Genauigkeit von Atomuhren. Ein neuer Ansatz könnte jedoch die Grundlagen unseres Verständnisses von Zeit und Schwerkraft erschüttern. Physikern der University of California, Los Angeles (UCLA) ist durch die Manipulation des Kerns eines Thorium-229-Atoms ein bedeutender Schritt nach vorne gelungen, was die Möglichkeit eröffnet, Kernuhren mit beispielloser Präzision zu entwickeln.
Diesen Sommer haben Physiker der UCLA gezeigt, dass es möglich ist, den Kern eines Thorium-229-Atoms, eingebettet in einen transparenten Kristall, dazu zu bringen, Photonen zu absorbieren und zu emittieren, eine Technik, die der Technik ähnelt, die bei Elektronen angewendet wird. Dieser Erfolg beendet jahrzehntelange Spekulationen über die Durchführbarkeit einer solchen Manipulation. Das Verlassen des Energiezustands eines Atomkerns mithilfe eines Lasers würde die Entwicklung der präzisesten Atomuhren ermöglichen, die jemals entwickelt wurden und beispiellos präzise Messungen von Zeit und Schwerkraft ermöglichen. Solche Uhren könnten sogar einige Grundgesetze der Physik neu schreiben.
Und Herausforderung zu überwinden: Knappheit und Radioaktivität
Es gibt jedoch ein bemerkenswertes Hindernis: Mit Thorium-229 dotierte Kristalle sind selten und radioaktiv. In einer kürzlich in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Veröffentlichung könnte ein Team aus Chemikern und Physikern der UCLA dieses Problem jedoch gelöst haben, indem es dünne Filme aus einem Thorium-229-Vorläufer züchtete. Diese Filme benötigen viel weniger Thorium-229 und sind so radioaktiv wie eine Banane. Sie zeigten, dass diese Filme die gleiche nukleare Anregung hervorrufen können, die für eine nukleare Uhr erforderlich ist. Ihre Produktion könnte nicht nur für Kernuhren, sondern auch für andere Anwendungen in der Quantenoptik gesteigert werden.
Anstatt ein reines Thoriumatom in einen Kristall auf Fluorbasis einzubauen, verwendet die neue Methode ein nitriertes Thorium-229-Ausgangsmaterial, das in hochreinem Wasser gelöst und dann in einen Tiegel getropft wird. Durch die Zugabe von Fluorwasserstoff entstehen einige Mikrogramm Thorium-229-Niederschlag, der dann vom Wasser getrennt und bis zur Verdampfung erhitzt wird, wobei er ungleichmäßig auf transparenten Saphir- und Magnesiumfluoridoberflächen kondensiert. Licht von einem Vakuum-Ultraviolett-Lasersystem wurde auf diese Ziele gerichtet und regte den Kernzustand an, wie in früheren UCLA-Forschungen berichtet, und vom Kern emittierte Photonen wurden gesammelt.
« Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung eines Ausgangsmaterials – Thoriumfluorid – besteht darin, dass sich alle Thoriumkerne in der gleichen lokalen atomaren Umgebung befinden und an den Kernen dem gleichen elektrischen Feld ausgesetzt sind sagte Anastassia Alexandrova, Co-Autorin und Professorin für Chemie und Biochemie sowie Materialwissenschaft und -technik an der UCLA. „ Dadurch weisen alle Thoriumverbindungen die gleichen Anregungsenergien auf, was zur Stabilität und Genauigkeit der Uhr beiträgt. Auf diese Weise ist das Material einzigartig. »
Oszillatoren und Präzision: der Mechanismus von Atomuhren
Die Basis jeder Uhr ist ein Oszillator. Die Zeit wird durch die Anzahl der Schwingungen dieses Oszillators definiert. Bei einer Pendeluhr ist eine Sekunde die Zeit, die ein Pendel benötigt, um hin und her zu schwingen; Bei einem Quarzoszillator einer Armbanduhr sind das etwa 32.000 Schwingungen des Quarzes. Für eine Thorium-Kernuhr Eine Sekunde entspricht ungefähr 2.020.407.300.000.000 Zyklen der Erregung und Entspannung des Kerns. Diese höhere Tickrate kann die Uhr genauer machen, sofern diese Rate stabil ist; Andernfalls misst die Uhr möglicherweise die Zeit falsch.
Die in dieser Forschung beschriebenen dünnen Filme bieten eine stabile Umgebung für den Kern, die einfach zu konstruieren und möglicherweise für die Herstellung mikrogefertigter Geräte anpassbar ist. Dies könnte den weitverbreiteten Einsatz von Atomuhren ermöglichen und sie kostengünstiger und einfacher herzustellen machen.
Aktuelle Atomuhren, die auf Elektronen basieren, erfordern raumgroße Aufbauten mit Vakuumkammern zum Einfangen der Atome und Ausrüstung zur Kühlung. Eine auf Thorium basierende Kernuhr wäre viel kleiner, robust, tragbar und präzise. Über kommerzielle Anwendungen hinaus könnte diese neue Kernspektroskopie einige der größten Geheimnisse des Universums enthüllen.
Die präzise Vermessung eines Atomkerns eröffnet neue Möglichkeiten, seine Eigenschaften und seine Wechselwirkungen mit Energie und Umwelt zu verstehen. Dies würde es Wissenschaftlern ermöglichen, einige ihrer grundlegendsten Ideen über Materie, Energie und die Gesetze der Raumzeit zu testen.
Bildunterschrift: Der dunklere violette Kreis in der Mitte ist ein Thorium-Dünnfilm-Target. Bildnachweis: Ye Labs, JILA, NIST und University of Colorado
Artikel: « 229ThF4 dünne Filme für Festkörper-Atomuhren » – DOI: s41586-024-08256-5
Quelle: UCLA
