Az új eredmények arra utalnak, hogy a klasszikus kvantumfizika és a magfizika kombinálható | EatchbQ

Az új eredmények arra utalnak, hogy a klasszikus kvantumfizika és a magfizika kombinálható

Ezt a cikket a Science X szerint felülvizsgálták szerkesztési folyamat
és irányelveket.
Szerkesztők a következő jellemzőket hangsúlyozta, és egyben biztosította a tartalom hitelességét:

tényekkel ellenőrzött

lektorált kiadvány

megbízható forrás

lektorált


A lézersugár eléri a kristályba ágyazott tóriummagot. hitel: Tu Wien

× Bezárás


A lézersugár eléri a kristályba ágyazott tóriummagot. hitel: Tu Wien

A fizikusok már régóta reménykednek ebben a pillanatban: a tudósok világszerte évek óta keresik a tórium atommagjainak egy nagyon specifikus állapotát, amely forradalmi technológiai alkalmazásokat ígér. Használható például egy olyan atomóra megépítésére, amely pontosabban méri az időt, mint a jelenleg elérhető legjobb atomórák. A fizikában teljesen új alapvető kérdések megválaszolására is használható – például arra a kérdésre, hogy a természet állandói valóban állandóak-e, vagy változnak-e térben és időben.

Most ez a remény valóra vált: a régóta keresett tóriumos átmenetet megtalálták, és ennek energiája mára pontosan ismert. Most először sikerült lézerrel egy atommagot magasabb energiájú állapotba vinni, majd pontosan követni annak eredeti állapotába való visszatérését.

Ez lehetővé teszi a fizika két olyan területének összekapcsolását, amelyeknek korábban nem sok közük volt egymáshoz: a klasszikus kvantumfizikát és a magfizikát. Ennek a sikernek döntő feltétele volt a speciális tórium tartalmú kristályok kifejlesztése.

A TU Wien (Bécs) Prof. Thorsten Schumm által vezetett kutatócsoportja most közzétett ezt a sikert a braunschweigi Nemzeti Metrológiai Intézet (PTB) csapatával együtt a folyóiratban Fizikai áttekintő levelek.

Kvantumállapotok váltása

Az atomok vagy molekulák lézerekkel történő manipulálása manapság elterjedt: ha a lézer hullámhosszát megfelelően választják meg, az atomok vagy molekulák egyik állapotból a másikba kapcsolhatók. Ily módon az atomok vagy molekulák energiái nagyon pontosan mérhetők. Erre épül számos precíziós mérési technika, például a mai atomórák, de a kémiai elemzési módszerek is. A lézereket gyakran használják kvantumszámítógépekben is az atomokban vagy molekulákban lévő információk tárolására.

Sokáig azonban lehetetlennek tűnt ezeket a technikákat atommagokra alkalmazni.

“Az atommagok különböző kvantumállapotok között is válthatnak. Általában azonban sokkal több energiára van szükség ahhoz, hogy egy atommagot egyik állapotból a másikba cseréljenek – legalább ezerszer akkora energiát, mint egy atomban vagy molekulában lévő elektronok energiája” – mondja Schumm. “Ez az oka annak, hogy az atommagokat általában nem lehet lézerrel manipulálni. A fotonok energiája egyszerűen nem elég.”

Ez sajnálatos, mert az atommagok valójában tökéletes kvantumobjektumok a precíziós mérésekhez: sokkal kisebbek, mint az atomok és molekulák, ezért sokkal kevésbé érzékenyek a külső zavarokra, például az elektromágneses mezőkre. Elvileg ezért példátlan pontosságú méréseket tennének lehetővé.


Johannes Tiedau PTB-kutató a lézerlaboratóriumban. hitel: PTB Braunschweig

× Bezárás


Johannes Tiedau PTB-kutató a lézerlaboratóriumban. hitel: PTB Braunschweig

A tű a szénakazalban

Az 1970-es évek óta felmerült a feltételezés, hogy egy speciális atommagról van szó, amely más atommagokkal ellentétben talán lézerrel manipulálható, nevezetesen a tórium-229-cel. Ennek az atommagnak két nagyon szorosan szomszédos energiaállapota van – olyan közel egymáshoz, hogy egy lézer elvileg elegendő az atommag állapotának megváltoztatásához.

Ennek az átmenetnek a létezésére azonban sokáig csak közvetett bizonyítékok voltak. “A probléma az, hogy rendkívül pontosan kell ismerni az átmenet energiáját ahhoz, hogy lézersugárral indukálhassuk az átmenetet” – mondja Schumm.

“Az elektronvolton belüli átmenet energiájának ismerete nem sok hasznot jelent, ha egy milliomod elektronvolt pontossággal kell megtalálni a megfelelő energiát az átmenet észleléséhez.” Olyan ez, mint egy tűt keresni a szénakazalban – vagy egy mérföld hosszú szigeten eltemetett kis kincsesládát keresni.

A tóriumkristály trükk

Egyes kutatócsoportok megkísérelték tanulmányozni a tóriummagokat úgy, hogy elektromágneses csapdákban külön-külön a helyükön tartják őket. Schumm és csapata azonban teljesen más technikát választott.

“Olyan kristályokat fejlesztettünk ki, amelyekben nagyszámú tóriumatom van beépítve” – ​​magyarázza Fabian Schaden, aki Bécsben fejlesztette ki a kristályokat, és a PTB csapatával közösen megmérte azokat.

“Bár ez technikailag meglehetősen bonyolult, megvan az az előnye, hogy nemcsak az egyes tóriummagokat tudjuk így tanulmányozni, hanem a lézerrel egyidejűleg 17 tóriummagból körülbelül 10-et el tudunk találni – körülbelül egymilliószor többet, mint amennyi csillag van. a mi galaxisunk.”

A nagyszámú tóriummag felerősíti a hatást, lerövidíti a szükséges mérési időt és növeli az energiaátmenet tényleges megtalálásának valószínűségét.


Thorsten Schumm (Tu Wien, Bécs) tartja az egyik kristályát. Jóváírás: Photo Wilke

× Bezárás


Thorsten Schumm (Tu Wien, Bécs) tartja az egyik kristályát. Jóváírás: Photo Wilke

2023. november 21-én végre sikerült a csapatnak: a tórium átmenet megfelelő energiáját pontosan eltalálták, és a tóriummagok először adtak egyértelmű jelzést. A lézersugár valójában megváltoztatta az állapotot. Az adatok alapos tanulmányozása és értékelése után az eredményt most közzétesszük.

„Számunkra ez egy valóra vált álom” – mondja Schumm. 2009 óta Schumm kutatásait kizárólag a tóriumos átmenet kutatására összpontosítja. Csoportja, valamint a világ minden tájáról érkező versenyző csapatok az elmúlt években többször értek el fontos részsikereket.

“Természetesen nagyon örülünk, hogy most mi mutatjuk be a döntő áttörést: az atommag első célzott lézeres gerjesztését” – mondja Schumm.

Az atomóra álma

Ezzel a kutatás egy izgalmas, új korszaka kezdődik: Most, hogy a csapat tudja, hogyan kell gerjeszteni a tórium állapotát, ez a technológia precíziós mérésekhez használható. „Az atomóra megépítése már a kezdetektől fontos, hosszú távú cél volt” – mondja Schumm.

“Hasonlóan ahhoz, ahogy az ingaóra az inga lengéseit használja időzítőként, a tóriumos átmenetet gerjesztő fény oszcillációja időzítőként használható egy új típusú óra számára, amely lényegesen pontosabb lenne, mint a legjobb atomórák. napon elérhető.”

De nem csak az időt lehetett így sokkal pontosabban mérni, mint korábban. Például a Föld gravitációs tere olyan pontosan elemezhető, hogy az ásványkincseket vagy földrengéseket jelezhet. A mérési módszerrel a fizika alapvető rejtélyeinek mélyére is rá lehet jutni: Valóban állandóak a természet állandói? Vagy talán idővel mérhetők az apró változások?

“Mérési módszerünk csak a kezdet” – mondja Schumm. “Még nem tudjuk megjósolni, milyen eredményeket érünk el vele. Minden bizonnyal nagyon izgalmas lesz.”

Több információ:
J. Tiedau és munkatársai: A Th-229 mag lézeres gerjesztése, Fizikai áttekintő levelek (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.182501

A folyóirat információi:
Fizikai áttekintő levelek


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *