Powszechnie wykorzystywane atomy laserowy opierają się o badanie stanu wzbudzonego elektronów krążących wokół jądra atomowego. Od dawna jednak naukowcy zastanawiali się, jak znacznie wyższą precyzję można byłoby osiągnąć, gdyby dało się za pomocą laserów badać stan wzbudzenia samego jądra atomowego znajdującego się pod wszystkimi powłokami elektronowymi. Wielu badaczy wymyślało już nawet potencjalne zastosowania dla takich wysoce precyzyjnych zegarów nuklearnych, jednak wszystkie one pozostawały jedynie w sferze teoretycznej, właśnie z tego powodu, że nikomu nie udało się wzbudzić laserem i zmierzyć stanu wzbudzenia jądra atomowego.
Wszystko jednak wskazuje na to, że sytuacja właśnie się zmieniła. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) poinformowali właśnie, że udało im się zmierzyć stan wzbudzenia jądra toru-229 za pomocą lasera. Badacze w toku eksperymentu zaobserwowali jak jądro atomu toru pochłania i reemituje fotony, czyli robi to, co robią fotony w klasycznym zegarze atomowym.
Czytaj także: Stworzyli najdokładniejszy zegar na świecie. Wyjaśniamy, w czym jest lepszy od innych
Jest to bezapelacyjnie rewolucyjne osiągnięcie. Dopracowanie tej technologii pozwoli mierzyć nie tylko czas i grawitację na zupełnie innym poziomie dokładności, ale – jak wskazują autorzy opracowania opublikowanego w periodyku naukowym Physical Review Letters – pozwoli także sprawdzić czy tzw. stałe natury są faktycznie stałe, czy też ulegają jakimś fluktuacjom.
Skąd taka poprawa jakości pomiarów w zegarze nuklearnym?
Naukowcy przyznają, że przyczyn jest wiele. Klasyczne zegary atomowe skupiają się na pomiarach elektronów, na które przecież wpływa wiele rożnych czynników, które z kolei wprowadzają odchylenia pomiarowe zmniejszające precyzję pomiarów. W jądrze atomowym jednak sytuacja jest inna. Neutrony i protony są bardzo silnie ze sobą związane, i otoczenie zewnętrzne ma na nie znacznie mniejszy wpływ.
Czytaj także: Najmniejszy zegar atomowy na świecie otworzy drzwi do nowej fizyki
Problem jednak w tym, że bardzo ciężko zmusić jądro atomowe do pochłonięcia fotonu i jego reemisji. Jakby nie patrzeć, jądro atomowe bezustannie obiegane jest przez elektrony, które mogą przechwytywać fotony transportowane przez wiązkę laserową. Aby temu zaradzić, naukowcy umieścili atomy toru-229w bardzo czystym krysztale wzbogaconym fluorem. Fluor bowiem bardzo silnie wiąże się z atomami innych pierwiastków. Te wiązania z kolei sprawiają, że jądro atomowe ulega odsłonięciu. Dopiero na tym etapie naukowcy skupili na jądrze atomowym wiązkę laserową powodując wzbudzenie jądra i reemisję energii. Konieczne było wykorzystanie tutaj lasera o odpowiednio niskiej energii, tak aby nie wzbudzały one eletronów przyczepionych do fluoru. Dopiero na tym etapie można było skupić się na samym jądrze atomowym.
Założenie jest takie, , że siły utrzymujące jądro atomowe w całości są milion razy silniejsze od sił utrzymujących elektron przy jądrze atomowym. Jeżeli siły natury nie są niezmienne i ich wartość ulega zmianie w czasie, czy też fluktuacjom, obserwowane zmiany jądra będą wyraźniejsze i zauważalne. W efekcie taki instrument jest nieporównanie lepszym detektorem wszystkich nieścisłości. Kto wie, możliwe, że dopiero zegary nuklearne powiedzą nam, że stałe natury takie jak stała struktury subtelnej są stałe jedynie do pewnego poziomu precyzji.
