Od wielu lat fizycy z licznych instytutów naukowych starali się wprowadzić jądro atomu toru w określony stan. Dotychczas jednak to się nie udawało. Motywacja za takimi próbami była prosta: wszystko wskazywało bowiem na to, że takie jądra toru mogą zrewolucjonizować świat współczesnych technologii. Wśród zastosowań wymieniano chociażby budowę ultraprecyzyjnego zegara atomowego, dokładniejszego od wszystkich obecnie istniejących na świecie. Mało tego, ten jeden niepozorny pierwiastek może nawet przysunąć nas do odpowiedzi na pytanie o to, czy stałe natury są rzeczywiście stałe w czasie, czy też ulegały ewolucji.
Jak w swoim artykule opublikowanym w periodyku Physical Review Letters informują badacze z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu, w końcu udało się nie tylko zaobserwować od dawna poszukiwaną zmianę stanu w jądrze atomu toru, ale także zmierzono dokładnie jego energię. Udało się tego dokonać dzięki wykorzystaniu wiązki laserowej, która wprowadziła jądro atomowe w wyższy stan energetyczny, a następnie precyzyjnie zmierzono powrót do stanu pierwotnego.
Zaobserwowano poszukiwane od lat przejście toru. To doskonała wiadomość.
Naukowcy są przekonani, że wykorzystanie specjalnych kryształów zawierających atomy toru przybliżyło nas o krok do połączenia klasycznej fizyki atomowej i fizyki jądrowej. Jak dotąd te dwie dziedziny fizyczne raczej nie miały ze sobą wiele wspólnego.
Warto tutaj zwrócić uwagę na fakt, iż wykorzystanie laserów do wzbudzania atomów czy cząsteczek nie jest niczym nowym. Inżynierowie powszechnie wykorzystują tę technikę w precyzyjnych urządzeniach pomiarowych. O ile jednak dotychczas można było ją stosować do cząsteczek lub atomów, to teraz po raz pierwszy udało się ją zastosować do samego jądra atomowego. Badacze przyznają, że to zupełnie inny poziom trudności.
Z drugiej jednak strony, same jądra atomowe są nieporównanie mniejsze od atomów, nie mówiąc o cząsteczkach, a przez to są wprost idealnymi obiektami kwantowymi do wykonywania precyzyjnych pomiarów.
Czytaj także: Najmniejszy zegar atomowy na świecie otworzy drzwi do nowej fizyki
Od niemal pół wieku badacze skupiali swoje poszukiwania na jądrze toru-229. Posiada ono bowiem dwa znajdujące się bardzo blisko siebie stany energetyczne. Od początku było wiadomo, że teoretycznie laser powinien być w stanie zmienić stan jądra takiego atomu na wyższy.
Problem w potwierdzeniu tej teorii polegał jednak na tym, że aby dokonać takiego przejścia, trzeba znać jego energię, aby dopasować do niego energię wiązki laserowej. Mało tego, trzeba znać tę energię z dokładnością do 0,000001 elektronowolta. To prawdziwe mikroskopijne poszukiwanie igły w stogu siana.
Decydując się na takie poszukiwania, naukowcy stworzyli kryształy zawierające atomy toru i potraktowali je wiązkami laserowymi. W ten sposób badali 10^17 atomów toru za jednym zamachem. Tylko w taki sposób można było znacząco przyspieszyć poszukiwania.
Sukces nadszedł 21 listopada 2023 roku. Wtedy to wiązka laserowa zmieniła stan energetyczny jednego z jąder toru. Tym samym badacze poznali precyzyjną wartość energii przejścia.
Teraz przed badaczami pierwsza próba celowej zmiany stanu energetycznego jądra toru. Jeżeli testy się powiodą, będziemy znacznie bliżej przełomu technologicznego, o jakim naukowcy marzyli od wielu lat.