Zašto postoje atomski satovi, a ne nuklearni? Na kraju krajeva, jezgro atoma je obično okruženo mnogim elektronima, tako da bi u principu trebalo da bude manje podložno spoljašnjoj buci (u obliku svetlosti). Jezgro, za atome sa visokim atomskim brojem, sadrži više čestica nego elektroni elementa. Sadrži skoro celu masu atoma dok zauzima samo oko 1/100.000 prostora atoma. Dok je prvi atomski sat izmišljen 1949. godine, nijedan nuklearni sat još uvek nije izvodljiv.
Jednostavan razlog je taj što je potrebno mnogo više energije da se jezgro pobuđuje u više energetsko stanje nego atom. Atomski satovi obično pobuđuju atome cezijuma fotonima energije 4 k 10 -5 elektronvolti. Trenutno se smatra da je jezgro koje najviše obećava za potencijalni nuklearni sat torijum-229, sa stanjima nuklearne ekscitacije koja zahtevaju fotone od oko 8 eV, preko 200.000 puta veće. To su mikrotalasi protiv ultraljubičastog. Štaviše, interakcija između svetlosti i jezgra može biti slaba.
Sada su naučnici iz Kine otkrili interakciju između svetlosti i jezgra koja je mnogo jača i efikasnija — više od 10% jezgara visoko jonizovanog torijuma-229 može biti uzbuđeno jednim laserskim impulsom. Torijum obično ima 90 elektrona oko svog jezgra (svoj atomski broj), a grupa je uklonila sve osim jednog da bi proizvela torijum sličan vodoniku, sa elektronskim nabojem od +89 od svih protona u jezgru minus jedan elektron. Njihov rad je objavljen u Phisical Reviev Letters.
Postojeći atomski satovi rade tako što koriste rezonantne frekvencije atoma. Koristeći grupu atoma koja može biti u jednom od dva energetska stanja, niža energetska grupa se zrači svetlošću iz lasera tačne energije da bi se što više atoma pumpalo na viši energetski nivo.
Što je frekvencija zračenja preciznija, to više atoma skoči u više stanje. Različiti tipovi stanja su razdvojeni, a atomi visoke energije se raspadaju u nisko stanje, emitujući svetlost iste karakteristične frekvencije, koja za atome cezijuma-133 iznosi tačno 9.192.631.770 Herca. Dolazeća svetlost zatim ponovo pumpa atom na viši nivo energije, sa naknadnim raspadom, itd.
Uz dovoljno prilagođavanja frekvencije dolazne svetlosti, maksimum atoma nižeg stanja ponovo rezonantno prelazi u više stanje. I tako dalje. Na ovaj način se atom može koristiti kao oscilator, koji je osnova svih časovnika.
Glavni autor Hanku Zhang sa Kineske akademije za inženjersku fiziku u Pekingu, sa kolegama, pokazao je da trenutno dostupni intenzivni laseri i atomi torijuma slični vodoniku 229 Th 89+ mogu biti u stanju da postignu rezonanciju potrebnu za nuklearni analog atomskog sata. Izomer ovog jezgra — metastabilno stanje jezgra — može se pobuditi sa verovatnoćom od 10% korišćenjem intenzivnih laserskih impulsa od 10 21 vati/cm 2 .
Kada se vraćaju u stanje niže energije, ovi visoko jonski atomi torijuma emituju višestruke talasne dužine svetlosti koje su harmonici (celobrojni višekratnici frekvencije) prelazne frekvencije izomera, za oko 0,01 sekundu. (Vreme prelaza za golo jezgro torijuma 229 Th 90+ je otprilike hiljadu sekundi.)
Ovo daje novu priliku za koherentnu emisiju svetlosti zasnovanu na jezgru — koja ima istu frekvenciju, ali konstantnu faznu razliku između svetlosti iz različitih prelaza, slično kao kod lasera.
Verovatnoća prelaza od 10% je veoma nelinearna promena u odnosu na tipične energetske prelaze izomera, sa nuklearnim hiperfinim mešanjem indukovanim magnetnim poljem jednog 1s elektrona na torijumu 89+. (Magnetni dipolni moment elektrona je oko 1000 puta veći od magnetnih dipolnih momenata nuklearnih stanja.)
To jako magnetno polje fino menja („cepa“) nivoe nuklearne energije iz izotopa bez elektrona, Th 90+, dok značajno smanjuje životni vek gornjih stanja za faktor od oko 100.000, prema gore navedenim brojevima. Ova rezonanca bi mogla otvoriti put do nuklearnog optičkog sata.
Tim je otkrio da povećanje intenziteta energije lasera za četiri reda veličine menja verovatnoću ekscitacije (u izomerno stanje torijuma 89+) jednim laserskim impulsom sa linearne varijacije sa energijom na visoko nelinearnu varijaciju sa povećanjem od 14 redova veličine (vidi sliku iznad). Posle toga se ne povećava dalje sa većim energetskim intenzitetom.
Na ovaj način se povećava verovatnoća tranzicije nuklearne energije sa oko 10 -15 na 10 -1 (10%). Zajedno sa rezonantnom frekvencijom, ovo ogromno povećanje otvara put do mogućeg nuklearnog sata.
„Ovi rezultati otvaraju novu granicu interakcije svetlost-materija“, piše grupa, „nude uzbudljive izglede za manipulaciju atomskim jezgrima svetlošću. Otkriće novog mehanizma za nuklearnu koherentnu emisiju svetlosti nosi šire implikacije u različitim oblastima proučavanja. „
Oni primećuju da bi se njihovi rezultati mogli lako primeniti uz eksperimentalne postavke koje danas postoje, „podvlačeći njihovu praktičnu relevantnost i neposrednu primenljivost“.
