Iako to ne možemo da vidimo, živimo u kvantizovanom svetu gde se svetlost koja osvetljava naše dane sastoji od sićušnih paketa energije, a atomi koji čine materiju su na sličan način podeljeni u diskretne energetske pojaseve.
Poput novčića u slot mašini, ispuštanje pravog kvanta svetlosti na atom može izazvati prelazak njegovih elektrona u kvantna stanja viših energetskih opsega. I dok se pomeraju nazad, ti ‘novčići’ svetlosti mogu biti vraćeni.
Sada su istraživači u Austriji i Nemačkoj postigli decenijama dug cilj upotrebe lasera za pobuđivanje izotopa torijuma – ne njegovih elektrona, već čvrsto vezanog snopa protona i neutrona koji čine njegovo jezgro.
Sa udarom energije koji je tačno odgovarao jazu između dva kvantna stanja jezgra, jezgra torijuma-299 su naterana da ‘skoče’ baš kao što to mogu da urade i elektroni, celi atomi i molekuli.
„Normalno atomskim jezgrom se ne može manipulisati laserima. Energija fotona jednostavno nije dovoljna“, objašnjava fizičar Torsten Šum sa Tehnološkog univerziteta u Beču.
Prebacivanje atomskih jezgara iz jednog kvantnog stanja u drugo zahteva najmanje hiljadu puta više energije od elektrona koji skaču između orbitalnih školjki, nastavlja Šum. Istraživači su takođe morali da znaju tačno šta je taj energetski jaz, kako bi mogli da fino podese svoje lasere.
Torijum-299 je izabran kao meta jer njegovo jezgro ima dva veoma bliska susedna energetska stanja za koje su Šum i njegovi saradnici u Nacionalnom metrološkom institutu Nemačke, PTB, mislili – kao i mnogi naučnici pre njih – da mogu da otključaju čuvenu „tranziciju torijuma“.
Naučnici pokušavaju precizno da izmere ovaj energetski jaz od 1970-ih, kada su eksperimenti raspadanja prvi put otkrili bliskost dva energetska stanja torijuma-299.
Tokom decenija, različiti timovi su stalno poboljšavali svoje procene, od manje od 100 elektron-volti na oko 8. Ovo je količina energije koja se oslobađa (kao zračenje) kada jezgro torijuma padne iz jednog energetskog stanja u drugo.
Ali ta merenja nisu bila dovoljno precizna da detektuju energetsku razliku (to je prelaz torijuma) i na taj način znaju tačan energetski puls, ili „veličinu novčića“, potreban da bi se jezgra pomerila između dva stanja.
U stvari, pošto je tranziciju torijuma tako teško posmatrati, njeno postojanje je potvrđeno tek 2016. i direktno izmereno (ne izvedeno) prvi put prošle godine.
„Morate pogoditi pravu energiju sa preciznošću od milioniti deo elektron-volta da biste otkrili prelaz“, kaže Šum.
Da bi povećali svoje šanse da pronađu tačnu tranziciju torijuma, Šumov tim je napravio kristale koji su sadržali trilione atoma torijuma, umesto da postavljaju usamljene atome torijuma u elektromagnetne zamke i da ih pojedinačno zatvaraju, kao što su mnogi prethodni timovi radili.
Kristali su morali da budu potpuno providni tako da laser utiče samo na ugrađene atome torijuma, i to samo nekoliko milimetara veličine kako bi se sve smetnje svele na minimum.
U novembru 2023. konačno su ga pronašli: jasan signal iz njihovih eksperimenata dao im je mnogo poboljšano merenje za prelaz torijuma od 8,355743 ± 0,000003 elektron-volta.
Budući da je deo energije tranzicije drugih atomskih jezgara koje su istraživači proučavali, Schummov tim je bio u mogućnosti da koristi lasere na radnoj površini, umesto visokoenergetske rendgenske svetlosti iz sinhrotrona, da pomeri jezgra torijuma-299 iz niskog ležišta. osnovno stanje u nešto više metastabilno.
Dugo očekivani prodor pokazuje da bi atomi torijuma-299 ugrađeni u čvrste kristale zaista mogli da se koriste za pravljenje nuklearnog sata koji bi bio daleko stabilniji, precizniji i praktičniji od postojećih atomskih satova.
„Naš metod merenja je samo početak“, kaže Šum o potencijalnim primenama njihovog rada, uključujući ultra-precizna merenja vremena i gravitacije. „Još ne možemo da predvidimo kakve ćemo rezultate time postići. Sigurno će biti veoma uzbudljivo.
