На пути к уникальному стандарту частоты

Четверг, 16 декабря 2021

Создание ядерных часов – одна из тем, которой занимаются ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. В начале декабря стало известно, что одна из работ в этой области – «Изучение распада изомера Тория-229. Поиск электронного моста», выдвинутая Лабораторией физики экзотических ядер Отделения физики высоких энергий Института, получила поддержку Российского научного фонда на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами.

В последующие два календарных года ученым предстоит создать стенд для генерации пучка 1, 2, 3-зарядных ионов основного и изомерного состояния тория-229, идентифицировать распад изомера через механизм электронного моста и определить оптимальные условия для заселения изомера лазерным излучением с целью последующего точного определения энергии изомера.

Тема ядерных часов вызывает чрезвычайный интерес мировой научной общественности, особенно с момента открытия на пороге 2016 года изомера 229mTh с ничтожно малой для ядра энергией возбуждения около 7 эВ. Находясь в оптической зоне энергий, то есть подвластной оптической накачке, это изомерное состояние, в то же время, защищено от деструктивного влияния внешних полей на частоту ядерного перехода, который, благодаря этому, может стать добротным эталоном частоты. Кроме того, энергия изомерного перехода в основном определяется вкладом сильного взаимодействия. Во всех существующих в настоящее время стандартах частоты определяющим является электромагнитное взаимодействие. Ядерная изомерия создает возможность изучения временной стабильности ряда фундаментальных констант. Таких преимуществ нет ни у одного из известных до настоящего времени эталонов частоты (времени), дающих метрологические данные, необходимые для всех областей науки, техники и повседневной жизни.

Лаборатория Физики Экзотических Ядер (ЛФЭЯ) НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, наряду с другими зарубежными лабораториями, включилась в процесс изучения этого необычного изомера, приняв участие в работах по созданию генератора ионов изомера в циклотронной лаборатории г. Ювяскюля (Финляндия) [1]. ЛФЭЯ занимается созданием стенда для исследования свойств изомера 229mTh в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ (см. Рис.1) [2].

Усилиями, главным образом, лабораторий Университета Мюнхена и метрологического центра в Брауншвайге (Германия) были определены энергия (8.12 ±0.11 эВ), магнитный и квадрупольный моменты изомерного состояния, оценено время жизни изомера в одном из ионных состояний, и его спин (3/2). Эта информация составила костяк данных об изомере, однако она недостаточна для реализации идеи создания эталона частоты (часов).

Для создания ядерных часов требуется знание энергии состояния с точностью не хуже 0.001 эВ, то есть почти на два порядка величины лучше, чем измерено на сегодняшний день. Кроме того, о времени жизни изомера в различных ионных состояниях вообще ничего не известно, тогда как именно время жизни (то есть ширина уровня), определяет важный параметр качества часов (отношения энергии перехода к его ширине). Для ядерных часов он ожидается на много порядков лучше, чем для используемых в настоящее время оптических часов в микроволновом диапазоне (134Cs) (см. Рис.2).  Следует отметить, что поразительно малая энергия ядерного изомера приводит к его соседству с большим количеством атомных уровней 229Th, имеющих примерно такую же энергию. Это, в свою очередь, может вызвать обилие различных видов разрядки. В основном это могут быть конверсия на связанные электронные состояния.

Особенности распада изомера будут определять спектр его возможных приложений. Вероятность заселения изомера с использованием атомной оболочки так же, как и время жизни изомера, сильно зависят от степени ионизации атома, химического состояния, параметров внешней среды. Изучение изомера в однозарядном ионе и в молекулярных ионах позволит наблюдать и, возможно, варьировать особенности механизма распада через электронный мост.

[1] Работа над созданием генератора ионов изомера в циклотронной лаборатории в Ювяскюля (V.Sonenschein…A.Popov et al., Europ.Phys.J. A48 (2012) 52),

[2] Предложение изучения изомера 229mTh методом конверсионной спектроскопии (Ю.И. Гусев, Ю.Н. Новиков, А.В. Попов, В.И. Тихонов, Изв.РАН (сер.физическая) 80 (2016) 958). 

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт