Kärnkraftsklocka
| Nuclear Clock | |
|---|---|
 Koncept av en torium-229-baserad nukleär optisk klocka.
|
En kärnklocka eller nukleär optisk klocka är en tänkt klocka som skulle använda frekvensen av en kärnövergång som sin referensfrekvens, på samma sätt som en atomklocka använder frekvensen för en elektronisk övergång i en atoms skal . En sådan klocka förväntas vara mer exakt än de bästa nuvarande atomklockorna med en faktor på cirka 10, med en uppnåelig noggrannhet som närmar sig nivån 10 −19 . Det enda kärntillstånd som är lämpligt för utveckling av en kärnklocka med hjälp av befintlig teknik är torium-229m , en kärnisomer av torium -229 och den kärnenergiisomer med lägsta energi som är känd. Med en energi på cirka 8 eV förväntas motsvarande marktillståndsövergång vara i det vakuum ultravioletta våglängdsområdet runt 150 nm, vilket skulle göra det tillgängligt för laserexcitation. En omfattande recension kan hittas i referens.
Funktionsprincip
Moderna optiska atomklockor är idag de mest exakta tidshållningsanordningarna. Deras underliggande funktionsprincip är baserad på det faktum att energin i en atomär övergång (energiskillnaden mellan två atomära tillstånd) är oberoende av rum och tid. Den atomära övergångsenergin motsvarar en viss frekvens av en ljusvåg, som krävs för att driva övergången. Därför kan en atomövergång exciteras med hjälp av laserljus, om laserfrekvensen exakt matchar den frekvens som motsvarar energin i atomövergången. Således kan laserfrekvensen i sin tur stabiliseras för att matcha den motsvarande atomära övergångsenergin genom kontinuerlig verifiering av en framgångsrik laserexcitering av atomövergången. Vid lyckad stabilisering till en atomär övergång kommer laserljusets frekvens alltid att vara densamma (oberoende av rum och tid).
Det är tekniskt möjligt att mäta laserljusets frekvens med extraordinär hög noggrannhet genom att räkna ljusvågens svängningar med hjälp av en frekvenskam . Detta gör att tiden kan mätas helt enkelt genom att räkna antalet oscillationer av laserljuset, som har stabiliserats till en viss atomär övergång. En sådan anordning kallas optisk atomklocka . Ett framträdande exempel på en optisk atomklocka är ytterbium (Yb) gitterklockan, där en speciell övergång i ytterbium -171- isotopen används för laserstabilisering. I detta fall har en sekund förflutit efter exakt 518 295 836 590 864 oscillationer av laserljuset stabiliserat till motsvarande övergång. Andra exempel på optiska atomklockor med högsta noggrannhet är ytterbium(Yb)-171 singeljonklockan, strontium(Sr)-87 optisk gitterklocka och aluminium(Al)-27 singeljonklockan. Den uppnådda noggrannheten för dessa klockor varierar runt 10 −18 , vilket motsvarar ungefär 1 sekunds inexakthet på 30 miljarder år, betydligt längre än universums ålder.
För en nukleär optisk klocka förblir funktionsprincipen oförändrad, dock med den viktiga skillnaden att en nukleär övergång istället för en atomskalövergång används för laserstabilisering. Den förväntade fördelen med en kärnklocka jämfört med en atomklocka är att atomkärnan bildligt talat är mindre än atomskalet med upp till fem storleksordningar och därför (på grund av små magnetiska dipoler och elektriska fyrpolmoment) betydligt mindre påverkad av yttre påverkan som t.ex. elektriska och magnetiska fält. Sådana yttre störningar är den begränsande faktorn för den uppnådda noggrannheten hos atomskalbaserade klockor. På grund av denna konceptuella fördel förväntas en nukleär optisk klocka uppnå en tidsnoggrannhet som närmar sig 10 −19 , en tiofaldig förbättring jämfört med atomskalbaserade klockor.
Olika nukleära klocka koncept
Två olika koncept för nukleära optiska klockor har diskuterats i litteraturen: fällbaserade nukleära klockor och solid-state nukleära klockor .
Fällbaserade kärnkraftsklockor
För en fällbaserad kärnklocka fångas antingen en enda 229 Th-jon i en Paul-fälla , känd som singeljonklockan , eller en kedja av flera joner fångas, betraktad som kärnklockan med flera joner . Sådana klockor förväntas uppnå den högsta tidsnoggrannheten, eftersom jonerna i stor utsträckning är isolerade från sin omgivning. En kärnklocka med flera joner kan ha en betydande fördel jämfört med en kärnklocka med en jon när det gäller stabilitetsprestanda.
Kärnkraftsklockor i fast tillstånd
Eftersom kärnan i stort sett är opåverkad av atomskalet är det också spännande att bädda in många kärnor i en kristallgittermiljö. Detta koncept är känt som kärnklockan med kristallgitter . På grund av den höga tätheten av inbäddade kärnor på upp till 10 18 per cm 3 skulle detta koncept göra det möjligt att bestråla en enorm mängd kärnor parallellt, och därigenom drastiskt öka det uppnåbara signal-brusförhållandet, dock på kostnaden för eventuellt högre yttre störningar. Det föreslogs också att bestråla en metallisk 229 Th-yta och att undersöka isomerens excitation i den interna omvandlingskanalen , som är känd som den interna omvandlingsklockan . Båda typerna av kärnkraftsklockor i fast tillstånd visade sig erbjuda potentialen för jämförbar prestanda.
Övergångskrav
Från principen för en nukleär optisk klocka är det uppenbart att direkt laserexcitering av ett kärntillstånd är ett centralt krav för utvecklingen av en kärnklocka. Fram till idag har ingen direkt nukleär laserexcitering uppnåtts. Det centrala skälet är att det typiska energiintervallet för kärnkraftsövergångar (keV till MeV) ligger i storleksordningar över den maximala energi som är tillgänglig med betydande intensitet med dagens smalbandiga laserteknik (några eV). Det finns bara två nukleära exciterade tillstånd kända, som har en extraordinär låg excitationsenergi (under 100 eV). Dessa är 229m Th, ett metastabilt nukleärt exciterat tillstånd av isotopen torium-229 med en excitationsenergi på endast cirka 8 eV och 235m U, ett metastabilt exciterat tillstånd av Uranium-235 med en energi på 76,7 eV. Av nukleära strukturskäl erbjuder endast 229m Th en realistisk chans för direkt nukleär laserexcitation.
Ytterligare krav för utvecklingen av en kärnklocka är att livslängden för det nukleära exciterade tillståndet är relativt lång, vilket leder till en resonans med smal bandbredd (en hög kvalitetsfaktor) och att grundtillståndskärnan är lättillgänglig och tillräckligt lång -levde för att tillåta att arbeta med måttliga mängder av materialet. Lyckligtvis, med en strålningslivslängd på 10 3 till 10 4 sekunder på 229 m Th och en livslängd på cirka 7917 år av en 229 Th kärna i grundtillstånd, är båda villkoren uppfyllda för 229 m Th, vilket gör den till en idealisk kandidat för utveckling av en kärnvapenklocka.
Historia
Kärnkraftsklockans historia
En nukleär optisk klocka baserad på 229m Th föreslogs först 2003 av E. Peik och C. Tamm, som utvecklade en idé om U. Sterr. Uppsatsen innehåller båda begreppen, singeljonklockan, såväl som kärnkraftsklockan i fast tillstånd.
I sitt banbrytande arbete föreslog Peik och Tamm att använda individuella laserkylda 229 Th 3+ joner i en Paul-fälla för att utföra kärnlaserspektroskopi. Här är laddningstillståndet 3+ fördelaktigt, eftersom det har en skalstruktur som är lämplig för direkt laserkylning. Det föreslogs vidare att excitera ett elektroniskt skaltillstånd, för att uppnå "bra" kvantantal av skalets totala system plus kärna som kommer att leda till en minskning av påverkan som induceras av externa störande fält. En central idé är att undersöka den framgångsrika laserexciteringen av det nukleära tillståndet via den hyperfina strukturförskjutningen som induceras i det elektroniska skalet på grund av de olika kärnspinnerna i mark- och exciterat tillstånd. Denna metod är känd som dubbelresonansmetoden .
Den förväntade prestandan för en enjons kärnklocka undersöktes ytterligare 2012 av C. Campbell et al. med resultatet att en systematisk frekvensosäkerhet (noggrannhet) för klockan på 1,5·10 −19 skulle kunna uppnås, vilket skulle vara ungefär en storleksordning bättre än den noggrannhet som uppnås av de bästa optiska atomklockorna idag. Tillvägagångssättet för kärnklockan som föreslås av Campbell et al. skiljer sig något från den ursprungliga föreslagna av Peik och Tamm. Istället för att excitera ett elektroniskt skaltillstånd för att erhålla högsta okänslighet mot yttre störande fält, har den nukleära klockan som föreslagits av Campbell et al. använder ett sträckt par av nukleära hyperfina tillstånd i den elektroniska marktillståndskonfigurationen, vilket verkar vara fördelaktigt när det gäller den uppnåbara kvalitetsfaktorn och ett förbättrat undertryckande av det kvadratiska Zeeman-skiftet.
Solid-state nuclear clock approach utvecklades ytterligare 2010 av WG Rellergert et al. med resultatet av en förväntad långsiktig noggrannhet på cirka 2·10 −16 . Även om det förväntas vara mindre noggrant än en enjons kärnklockansats på grund av linjebreddande effekter och temperaturförskjutningar i kristallgittermiljön, kan detta tillvägagångssätt ha fördelar när det gäller kompakthet, robusthet och energiförbrukning. Den förväntade stabilitetsprestandan undersöktes av G. Kazakov et al. föreslogs utvecklingen av en intern omvandlingskärnklocka .
Viktiga steg på vägen mot en kärnklocka var ett precisionsexperiment med gammastrålningspektroskopi som gjorde det möjligt att bestämma den isomera energin till 7,8±0,5 eV, den framgångsrika direkta laserkylningen av 229 Th 3+ joner i en Paul-fälla som uppnåddes 2011, direkt detektering av 229m Th-sönderfallet 2016 och en första detektering av det isomerinducerade hyperfina strukturförskjutningen, vilket gör det möjligt för dubbelresonansmetoden att undersöka en framgångsrik nukleär excitation 2018. Under 2019 mättes isomerens energi via detektering av interna omvandlingselektroner som emitteras i dess direkta marktillståndsavklingning till 8,28±0,17 eV. Även en första framgångsrik excitation av det 29 keV kärnexciterade tillståndet av 229 Th via synkrotronstrålning rapporterades. År 2020 erhölls en energi på 8,10±0,17 eV från precisionsgammastrålspektroskopi.
Historien om 229m Th
Sedan 1976 har 229 Th-kärnan varit känd för att ha ett lågenergiexciterat tillstånd, som var begränsat till att vara under 10 eV excitationsenergi 1990 och för vilket ett energivärde på 3,5±1,0 eV bestämdes 1994. Så tidigt som 1996 föreslogs det att använda nukleär excitation som en mycket stabil ljuskälla för metrologi av EV Tkalya.
Vid tidpunkten för förslaget om kärnklockan 2003 var parametrarna för 229m Th, särskilt dess energi, inte kända med tillräcklig precision för att möjliggöra kärnlaserspektroskopi av individuella toriumjoner och därmed utvecklingen av en kärnklocka. Detta faktum utlöste en mängd experimentella försök att fastställa parametrarna för det exciterade tillståndet som energi och halveringstid. Detekteringen av ljus som sänds ut i det direkta sönderfallet av 229m Th skulle avsevärt hjälpa till att bestämma dess energi till högre precision, men fram till idag misslyckades alla ansträngningar för att observera en säker signal av ljus som sänds ut i sönderfallet av 229m Th. Misslyckandet i tidiga experiment att observera någon direkt 229m Th-avklingningssignal kan delvis förklaras av en korrigering av energivärdet till 7,6±0,5 eV 2007 (något förskjutet till 7,8±05 eV 2009). Men även alla nya experiment misslyckades med att observera någon signal om ljus som sänds ut i det direkta sönderfallet, vilket potentiellt pekar mot en stark icke-strålande sönderfallskanal. rapporterades detektering av ljus som sänds ut i sönderfallet av 229m Th, men de observerade signalerna är föremål för kontroversiella diskussioner inom samhället.
En direkt detektering av elektroner som sänds ut i isomerens interna omvandlingssönderfallskanal uppnåddes 2016. Denna detektering lade grunden för bestämning av halveringstiden på 229 m Th i neutrala, ytbundna atomer 2017 och en första laserspektroskopisk karakterisering 2018. Under 2019 kunde ett förbättrat energivärde baserat på intern-konverteringselektronspektroskopi fastställas. Dessutom uppnåddes en säker excitation av isomeren via populationen av 29 keV-tillståndet med synkrotronstrålning. Mer nyligen publicerades ytterligare två artiklar om den isomera energin.
Ansökningar
När den är i drift förväntas en nukleär optisk klocka vara användbar inom olika områden. Potentiella applikationer kan uppstå inom det område där redan dagens atomur är i drift, som t.ex. satellitbaserad navigering eller dataöverföring. Men även potentiellt nya tillämpningar kan uppstå inom områdena relativistisk geodesi, sökandet efter topologisk mörk materia eller bestämning av tidsvariationer av fundamentala konstanter.
Speciellt har en hög känslighet hos en kärnklocka för potentiella tidsvariationer av fundamentala konstanter, t.ex. finstrukturkonstanten, framhållits. Den centrala idén är att en nukleär övergång kopplas annorlunda till finstrukturkonstanten än en atomskalövergång gör. Av denna anledning skulle en jämförelse av frekvensen hos en kärnklocka med en atomur kunna leda till en extraordinär hög känslighet för potentiella tidsvariationer av finstrukturkonstanten. Den uppnåbara känslighetsfaktorn är dock fortfarande föremål för spekulationer. En nyligen genomförd mätning överensstämmer med förbättringsfaktorer mellan 1 (ingen förbättring) och 10 4 .
externa länkar
- torium kärnklocka – EU:s projekt