Lubage tutvustada: tuumakell – aatomkellast 10 korda täpsem

Aparaat, mida Atsushi Yamaguchi ja tema meeskond kasutasid kolmekordselt laetud toorium-229 ioonide püüdmiseks ja nende laserspektroskoopiate tegemiseks. Foto: RIKEN Quantum Metrology Laboratory

Jaapanis asuva riikliku teadusinstituudi RIKEN Kvantmetroloogia labori (Quantum Metrology Laboratory) füüsikud on teinud märkimisväärse läbimurde tuumakellade arendamisel, mis võivad tulevikus olla praegustest optilistest kelladest veelgi täpsemad ja vähem tundlikud väliste häiringute suhtes.

Aja mõõtmine ja eriti väga täpne aja mõõtmine, on andnud inimkonnale võimaluse navigeerida Maal: alles 18. sajandil kasutusse võetud koronomeeter andis võimaluse piisavalt täpselt määrata koordinaate Maal. Väga täpsed kellad annavad loovad eelduse ka selleks, et tehiskaaslastel põhinevad navigatsioonisüsteemid toimiksid ja nende abil saame määrata asukohta Maal. Mida täpsemalt mõõta aega, seda täpsemalt on võimalik kindlaks teha ka aja kulgemise muutusi, mida põhjustab näiteks aegruumi kõverus. Tänaseni on ülimaks täpsuseks olnud aatomkellad aga aatomituumadel põhinevad aja mõõtmise viisid on neist veelgi suurema täpsusega.

Toorium-229: tuleviku aja mõõtühik

Tuumakellade väljatöötamisel on teadlased keskendunud toorium-229 isotoobi tuumade eluea mõõtmisele. Konkreetsemalt on nad edukalt lukustanud kolmekordselt laetud toorium-229 ioone (229 Th 3+) ja mõõtnud täpselt nende lagunemise eluea, kasutades selleks lasereid.

Tuumakellade täpsus on potentsiaalselt kümme korda suurem kui optilistel aatomkelladel, mis põhinevad tuumade ja elektronide vahelistests seostest tulenevatel võnkumistek. Kui praeguste tipptehnoloogiliste optiliste aatomkellade täpsus on nii suur, et neil kuluks üle kahe korra kauem, kui Universumi praegune vanus, enne kui nad ühe sekundi võrra hälbivad, siis tuumakellad võivad aidata teadlastel avastada tumeainet.

RIKEN-i teadlased selgitavad, et tuumakellade suur täpsus tuleneb sellest, et tuum on väliste elektromagnetväljade ja temperatuuri kõikumiste suhtes palju vähem tundlik kui elektronid, mida kasutatakse optilistes aatomkellades. Toorium-229 isotoobi tuuma eelistatakse just seetõttu, et see on vähem tundlik väliste tegurite suhtes, erinevalt optiliste aatomkellade elektronidest.

Lasertehnoloogia ja tuumakellade arendamine

Teadlased on kasutanud toorium-229 ioone, millest on eemaldatud kolm elektroni, kuna neid saab laserite abil jahutada ja nende lagunemist on lihtne mõõta tänu laserkiirguse all neilt eralduvale fluorestsentsile.

Toorium-229 tuuma teeb eriliseks selle võime ergastuda vaakum-ultraviolettlaseri abil, kuna sellel on erakordselt madal ergastumisenergia. Selle isotoobi ioone saab täpselt mõõta ja nende eluea põhjal saab neid tõhusalt kasutada tuumakellades.

Laseriga tuumakella uurimine

Kuid tuumakellade arendamisel tuleb hoolikalt jälgida mitmeid parameetreid, sealhulgas täpset tuumakellas kasutatava isotoobi lagunemise eluea (poolestusja) mõõtmist. Selle probleemi lahendamiseks kasutas teadlaste meeskond laserit, et uurida kolmekordselt laetud toorium-229 isomeerseid ioone, mis olid saadud uraanist.

RIKENi kvantmtroloogia laboris töötav Atsushi Yamaguchi väljendas suurt rahulolu, nähes oma meeskonna süsteemi toimimas ning suutes lukustada kolmekordselt laetud toorium-229 ioone. See oli saavutus, milles paljud kahtlesid, kuid Yamaguchi sõnul on just toorium-229 ioone iseloomustav eluea pikkus – umbes 1400 sekundit – ideaalne tuumakellade rakendamiseks.

Käesoleval hetkel keskendub meeskond uue laseri väljatöötamisele, mis suudaks veelgi täpsemalt tuumakella uurida ja viia tuumakellade arendamise täiesti uuele tasemele.

Allikas: Interesting Engineering