Прорыв в квантовой физике: впервые измерено специфическое состояние атомов с помощью лазера

Фото: ScienceAlert

Физики уже много лет искали специфическое состояние ядер атомов, которое может произвести революцию в технологиях. Это состояние можно использовать для создания более точных, чем атомные часы, ядерных часов. Также его можно использовать для обнаружения ответов на фундаментальные вопросы физики. Теперь же физикам удалось обнаружить переход тория и измерить его энергию. Новое исследование открывает путь к объединению ранее мало связанных разделов науки: квантовой физики и ядерной физики. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters, пишет ScienceAlert.

Квантовый мир

Хотя люди этого и не ощущают, но мы живем в квантованном мире, где свет состоит из крошечных пакетов энергии, а атомы, из которых состоит материя, имеют разные энергетические состояния. Падение правильных квантов света на атом может привести к тому, что его электроны перейдут в квантовые состояния с более высокой энергией. Впервые физикам удалось с помощью лазера перевести ядра атомов тория в состояние более высокой энергии, а затем они отследили, как ядра вернулись в исходное состояние.

Ученые использовали лазеры для возбуждения ядер атомов изотопа тория. Благодаря энергетическому удару, который точно соответствовал разнице между двумя квантовыми состояниями ядер атомов, ядра изотопа торий-299 были вынуждены прыгать точно так же, как это могут делать электроны, целые атомы и молекулы.

Для перевода ядер атомов из одного квантового состояния в другое требуется как минимум в тысячу раз больше энергии, чем для электронов, которые прыгают между орбитальными оболочками ядра. При этом нужно точно знать, какой именно нужен энергетический зазор, чтобы правильно настроить свои лазеры.

Интересный изотоп

Физики выбрали торий-299 в качестве цели исследования, потому его ядро имеет два очень близко расположенных друг к другу энергетических состояния, которые, как предполагали физики, могут помочь обнаружить переход тория. Разницу в энергетических состояниях физики пытались точно измерить с начала 70–х годов прошлого века, когда впервые обнаружили близость двух энергетических состояний тория-299. Многие ученые проводили исследования и получали значение от 100 электронвольт до примерно 8. Это количество энергии, которая выходит в виде излучения, когда ядро атома тория переходит из одного энергетического состояния в другое.

Но эти измерения не были достаточно точными, чтобы обнаружить разницу в энергиях, то есть переход тория. Поскольку переход тория очень сложно наблюдать, его существование было подтверждено только в 2016 году и впервые его измерили непосредственно и максимально точно авторы нового исследования.

Прорыв в квантовой физике

Для обнаружения точного перехода тория физики создали кристаллы, которые состояли из триллионов атомов тория. Кристаллы должны были быть полностью прозрачными, чтобы лазер воздействовал только на встроенные атомы тория, и иметь размер всего несколько миллиметров, чтобы минимизировать любые помехи. В результате эксперимента физики получили наиболее точно значение энергии перехода тория, которое составило 8,355743 ± 0,000003 электронвольт.

Долгожданный прорыв в квантовой физике показывает, что атомы тория-299, внедренные в твердые кристаллы, действительно можно использовать для создания ядерных часов, которые будут гораздо более точными, чем атомные часы.

Но не только время можно измерить таким способом более точнее, чем раньше. Также можно измерить более точно гравитационное поле Земли. Также физики считают, что новые результаты можно использовать для раскрытия фундаментальных загадок физики.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист AOinform