물리학자들은 오랫동안 이 순간을 바랐습니다. 수년 동안 전 세계 과학자들은 혁신적인 기술 적용을 약속하는 토륨 원자핵의 매우 구체적인 사례를 찾고 있었습니다. 예를 들어, 오늘날 사용 가능한 최고의 원자시계보다 더 정확하게 시간을 측정할 수 있는 핵시계를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 또한 물리학의 완전히 새로운 근본적인 질문, 예를 들어 자연의 상수가 실제로 일정한지 또는 공간과 시간에 따라 변하는지에 대한 질문에 대답하는 데 사용될 수도 있습니다.

이제 그 희망은 현실이 되었습니다. 오랫동안 기다려온 토륨의 변형이 발견되었고, 그 에너지가 이제 정확하게 알려졌습니다. 처음으로 레이저를 사용하여 원자핵을 더 높은 에너지 상태로 이동시킨 다음 원래 상태로 돌아가는 것을 정확하게 추적하는 것이 가능해졌습니다.

이를 통해 이전에는 서로 관련이 거의 없었던 물리학의 두 영역, 즉 고전 양자 물리학과 핵 물리학을 결합하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 성공을 달성하기 위한 전제 조건은 토륨을 함유한 특수 결정체의 개발이었습니다.

이제 TU Wien(비엔나)의 Thorsten Schumm 교수가 이끄는 연구팀이 이를 수행했습니다. 출판됨 이 성공은 잡지에 실린 브라운슈바이크 국립 계측 연구소(PTB) 팀과 협력하여 이루어졌습니다. 실제 검토 편지.

양자 상태 전환

오늘날에는 레이저로 원자나 분자를 조작하는 것이 일반적입니다. 레이저 파장을 올바르게 선택하면 원자나 분자를 한 상태에서 다른 상태로 변환할 수 있습니다. 이런 방식으로 원자나 분자의 에너지를 매우 정확하게 측정할 수 있습니다. 현재의 원자시계와 화학적 분석 방법 등 많은 정밀 측정 기술이 이에 의존하고 있습니다. 레이저는 원자나 분자에 정보를 저장하기 위해 양자 컴퓨터에도 자주 사용됩니다.

그러나 오랫동안 이러한 기술을 원자핵에 적용하는 것은 불가능해 보였습니다.

Schumm은 “원자핵은 서로 다른 양자 상태 사이를 전환할 수도 있습니다. 그러나 원자핵을 한 상태에서 다른 상태로 변경하는 데는 일반적으로 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다. 이는 원자 내 전자 에너지의 최소 1000배 이상입니다. 분자.” “이것이 원자핵을 레이저로 조작할 수 없는 이유입니다. 광자의 에너지만으로는 충분하지 않습니다.”

원자핵은 실제로 정확한 측정을 위한 이상적인 양자 물체이기 때문에 불행한 일입니다. 원자핵은 원자나 분자보다 훨씬 작기 때문에 전자기장과 같은 외부 교란에 덜 민감합니다. 원칙적으로 이는 전례 없는 정밀도로 측정을 가능하게 합니다.

건초 더미 속의 바늘

1970년대부터 다른 핵과 달리 레이저로 조작할 수 있는 특별한 원자핵, 즉 토륨-229가 있을 수 있다는 추측이 있었습니다. 원리는 원자핵의 상태를 바꾸는 데 충분합니다.

그러나 오랫동안 이러한 변화의 존재에 대한 간접적인 증거만 있었습니다. “문제는 레이저 빔으로 변환을 생성하려면 변환 에너지를 매우 정확하게 알아야 한다는 것입니다.”라고 Schumm은 말합니다.

“1전자 볼트 내에서 이러한 전이 에너지를 아는 것은 전이를 감지하기 위해 백만 분의 1 전자 볼트의 정확도로 정확한 에너지에 접근해야 한다면 별로 유용하지 않을 것입니다.” 그것은 건초더미에서 바늘을 찾는 것과 같고, 1킬로미터 길이의 섬에 묻혀 있는 작은 보물상자를 찾는 것과 같습니다.

토륨 크리스탈 트릭

일부 연구 그룹에서는 토륨 핵을 전자기 트랩에 개별적으로 고정하여 연구하려고 시도했습니다. 그러나 Shum과 그의 팀은 완전히 다른 접근 방식을 선택했습니다.

비엔나에서 결정을 개발하고 PTB 팀과 협력하여 이를 측정한 Fabian Schaden은 “우리는 다수의 토륨 원자가 통합된 결정을 개발했습니다.”라고 설명합니다.

“이것은 기술적으로 매우 복잡하지만 이러한 방식으로 개별 토륨 핵을 연구할 수 있을 뿐만 아니라 레이저로 동시에 약 10~17개의 토륨 핵의 거듭제곱을 조사할 수 있다는 장점이 있습니다. 우리 은하계의 별보다 더 많습니다.”

많은 수의 토륨 핵은 효과를 증폭시켜 필요한 측정 시간을 단축하고 실제로 에너지 전이를 찾을 확률을 높입니다.

2023년 11월 21일, 팀은 마침내 성공했습니다. 토륨 전이에 대한 정확한 에너지가 정확히 도달했고, 토륨 핵이 처음으로 명확한 신호를 보냈습니다. 레이저 빔의 상태가 이미 변경되었습니다. 데이터를 면밀히 검토하고 평가한 결과, 이제 그 결과가 발표되었습니다.

“우리에게는 이것이 꿈이 이루어진 것입니다.”라고 Shum은 말합니다. 2009년부터 Schaum은 전적으로 토륨 수송 연구에 집중해 왔습니다. 그의 그룹과 전 세계의 경쟁 팀은 최근 몇 년 동안 반복적으로 중요한 부분적인 성공을 거두었습니다.

“물론 우리는 이제 원자핵의 최초의 표적 레이저 여기라는 결정적인 돌파구를 제공할 수 있게 되어 기쁩니다.”라고 Schumm은 말했습니다.

원자핵시계의 꿈

이는 흥미로운 새로운 연구 시대의 시작을 의미합니다. 이제 팀은 토륨 상태를 여기시키는 방법을 알았으므로 이 기술을 사용하여 정확한 측정을 수행할 수 있습니다. Schumm은 “원자시계를 만드는 것은 처음부터 중요한 장기 목표였습니다.

“진자 시계가 진자의 진동을 타이머로 사용하는 방식과 유사하게, 토륨의 전송을 자극하는 빛의 진동은 최고의 원자 시계보다 훨씬 더 정확한 새로운 유형의 시계에 대한 타이머로 사용될 수 있습니다. 오늘은 시계를 사용할 수 있습니다.”

그러나 이러한 방식으로 이전보다 더 정확하게 측정할 수 있는 것은 시간뿐만이 아닙니다. 예를 들어, 지구의 중력장은 매우 정확하게 분석되어 광물 자원이나 지진에 대한 징후를 제공할 수 있습니다. 측정 방법은 물리학의 근본적인 신비에 접근하는 데에도 사용될 수 있습니다. 자연의 상수는 실제로 일정합니까? 아니면 시간에 따른 작은 변화도 측정할 수 있나요?

Shum은 “우리의 측정 방법은 시작에 불과합니다. “우리는 이를 통해 어떤 결과를 얻을지 아직 예측할 수 없습니다. 확실히 매우 흥미로울 것입니다.”