Прорив у квантовій фізиці: увперше виміряно специфічний стан атомів за допомогою лазера

Фізики вже багато років шукали специфічний стан ядер атомів, який може зробити революцію в технологіях. Цей стан можна використовувати для створення точнішого, ніж атомний годинник, ядерного годинника. Також його можна використовувати для виявлення відповідей на фундаментальні питання фізики. Тепер же фізикам вдалося виявити перехід торію та виміряти його енергію. Нове дослідження відкриває шлях до об'єднання раніше мало пов'язаних розділів науки: квантової фізики та ядерної фізики. Результати дослідження були опубліковані в журналі Physical Review Letters, пише ScienceAlert.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Квантовий світ

Хоча люди цього й не відчувають, але ми живемо у квантованому світі, де світло складається з крихітних пакетів енергії, а атоми, із яких складається матерія, мають різні енергетичні стани. Падіння правильних квантів світла на атом може призвести до того, що його електрони перейдуть у квантові стани з вищою енергією. Вперше фізикам вдалося за допомогою лазера перевести ядра атомів торію в стан вищої енергії, а потім вони відстежили, як ядра повернулися у вихідний стан.

Учені використовували лазери для збудження ядер атомів ізотопу торію. Завдяки енергетичному удару, який точно відповідав різниці між двома квантовими станами ядер атомів, ядра ізотопу торій-299 були змушені стрибати точно так само, як це можуть робити електрони, цілі атоми та молекули.

Для переведення ядер атомів із одного квантового стану в інший потрібно щонайменше в тисячу разів більше енергії, ніж для електронів, які стрибають між орбітальними оболонками ядра. Водночас потрібно точно знати, який саме потрібен енергетичний зазор, щоб правильно налаштувати свої лазери.

Цікавий ізотоп

Фізики обрали торій-299 як предмет дослідження, тому що його ядро має два дуже близько розташованих один до одного енергетичні стани, що, як припускали фізики, можуть допомогти виявити перехід торію. Різницю в енергетичних станах фізики намагалися точно виміряти з початку 70-х років минулого століття, коли вперше виявили близькість двох енергетичних станів торію-299. Багато вчених проводили дослідження й отримували значення від 100 електронвольт до приблизно 8. Це кількість енергії, яка виходить у вигляді випромінювання, коли ядро атома торію переходить з одного енергетичного стану в інший.

Але ці вимірювання не були достатньо точними, щоб виявити різницю в енергіях, тобто перехід торію. Оскільки перехід торію дуже складно побачити, його існування було підтверджено тільки в 2016 році, і вперше його виміряли безпосередньо та максимально точно автори нового дослідження.

Прорив у квантовій фізиці

Для виявлення точного переходу торію фізики створили кристали, які складалися з трильйонів атомів торію. Кристали мали бути повністю прозорими, щоб лазер впливав тільки на вбудовані атоми торію, і мати розмір лише кілька міліметрів, щоб мінімізувати будь-які перешкоди. У результаті експерименту фізики отримали найточніше значення енергії переходу торію, яке становило 8,355743 ± 0,000003 електронвольт.

Довгоочікуваний прорив у квантовій фізиці показує, що атоми торію-299, впроваджені у тверді кристали, справді можна використовувати для створення ядерного годинника, який буде набагато точнішим за атомний годинник.

Але не тільки час можна виміряти таким способом точніше, ніж раніше. Також можна виміряти точніше гравітаційне поле Землі. Також фізики вважають, що нові результати можна використовувати для розкриття фундаментальних загадок фізики.

Як уже писав Фокус, уперше виявлено щось особливе в небезпечній висхідній блискавці, яка б'є в небо. Блискавки не завжди б'ють із неба вниз, іноді вони можуть робити це у зворотному напрямку.

Також Фокус писав про те, що фізики подолали дві важливі перешкоди на шляху до отримання термоядерної енергії. Нове досягнення відкриває шлях до отримання безмежної чистої енергії у великих масштабах.