Zegary atomowe, bazujące na mierzeniu częstotliwości rezonansowej atomów, potrafią mierzyć czas z niezwykłą dokładnością. W środowisku naukowym, silnym kandydatem na nowy standard zegara atomowego jest izotop toru-229. W nowej pracy, która ukazała się właśnie w czasopiśmie Physical Review C, badacze z Departamentu Aparatury i Technik Jądrowych NCBJ opisali proces wzbudzania izomerycznego i możliwości produkcji tego izotopu. 

Zegarem atomowym nazywamy urządzenie służące do mierzenia czasu, którego zasada działania bazuje na własnościach atomów, a konkretnie ich stanach energetycznych. Poprzez absorpcję lub emisję promieniowania elektromagnetycznego, atomy mogą zmieniać stany energetyczne. Działając promieniowaniem elektromagnetycznym na atomy danego pierwiastka będącego w stanie podstawowym, część z nich może zmienić swój stan energetyczny. Poprzez dostrojenie częstotliwości promieniowania można osiągnąć naturalną częstotliwość oscylacji pierwiastka, czyli sytuację, w której maksymalna liczba atomów zmienia swój stan. Częstotliwość takich przejść jest bardzo stabilna, może więc być podstawą dokładnych pomiarów czasu.    

Obecne zegary atomowe opierają się na izotopie cezu-133, rubidu-87, bądź wodoru-1 (tzw. masery wodorowe) i mogą osiągać dokładność nawet rzędu 10¹⁶, co odpowiada opóźnieniu się zegara o sekundę co 300 milionów lat. Jest to wystarczająca dokładność, by oprzeć na niej m. in. definicję sekundy w układzie SI, która jest określona jako: „ustalona wartość liczbowa częstotliwości drgań cezu ∆νCs, to jest częstotliwości nadsubtelnego przejścia w atomach cezu-133 w niezaburzonym stanie podstawowym, wynosząca 9 192 631 770, wyrażona w jednostce Hz, która jest równa s^–1”. Celem badaczy jest utworzenie zegara, którego dokładność będzie jeszcze wyższa, rzędu 10¹⁸–10¹⁹, odpowiadająca opóźnieniu o sekundę co wiek Wszechświata. W ostatnich latach, nowym kandydatem na izotop do użycia w zegarach atomowych stał się tor-229.

Izotop ten wzbudził ciekawość naukowców nie tylko dzięki potencjalnym zastosowaniom. Szczególną uwagę przykuwa jego pierwszy metastabilny stan wzbudzony, 229mTh, którego energia, ok. 8 eV ponad stan podstawowy, jest kilka rzędów wielkości niższa, niż typowe stany wzbudzone innych pierwiastków. Ostatnie lata przyniosły wiele eksperymentów zajmujących się tą tematyką, co zaowocowało m. in. dokładnym określeniem częstotliwości wzbudzeń (2 020 407 384 335 (2) kHz, co odpowiada energii 8,355 733 552 eV) pomiędzy stanem podstawowym Th-229 a jego pierwszym stanem wzbudzonym. Taka dokładność eksperymentu daje unikalną możliwość badania oddziaływań jądra atomowego z elektronami. Wykorzystali to naukowcy z Departamentu Aparatury i Technik Jądrowych NCBJ, którzy opisali proces wzbudzania izomeru toru-229m ze stanu podstawowego poprzez przejścia elektronów blisko rezonansu (near-resonant electron transitions).

Postęp w technikach eksperymentalnych, a zwłaszcza technikach manipulacji wysoce naładowanymi jonami (highly-charged ions, HCIs) dostarczył badaczom nowych metod wzbudzania pierwiastków ze stanu podstawowego do izomerycznych stanów wzbudzonych. W przypadku badanego tutaj toru-229, teoretycy proponują wykorzystanie takich metod, jak wzbudzenie poprzez wychwyt elektronu (nuclear excitation by electron capture, NEEC), rozpraszanie nieelastyczne (nuclear excitation by inelastic electron scattering, NEIES), rezonans elektronowy, czy defekty w domieszkowanych kryształach. Innym z proponowanych mechanizmów, na którym skupili uwagę autorzy pracy opublikowanej w Physical Review C, jest NEET (ang. nuclear excitation by electron transfer), czyli wzbudzenie jądra poprzez transfer elektronów. Dane eksperymentalne dotyczące tej metody są dość liczne, lecz niespójne, co uniemożliwia zweryfikowanie teorii opisującej ten proces. Jednak to właśnie dzięki niezwykle dokładnym danym eksperymentalnym energii wzbudzenia izomeru ^229mTh, naukowcy otrzymali możliwość zbadania procesu NEET przy dobrze zdefiniowanych warunkach.

„W procesie NEET, energia przejścia elektronu jest przekazywana na wzbudzenie jądra, co jest szczególnie efektywne, jeśli energie te są do siebie zbliżone” – wyjaśnia dr Karol Kozioł, autor pracy. „Badany przez nas izomer spełnia te warunki, dzięki czemu mogliśmy precyzyjnie określić energię przejścia i intensywność tego procesu”. Badania były oparte na multikonfiguracyjnej metodzie Diraca-Hartree-Focka z tzw. oddziaływaniem konfiguracji (MCDHF-CI). Aby odnaleźć przejście, które można wykorzystać do badania procesu NEET, badacze z NCBJ przeprowadzili serię obliczeń dla jonów toru z ładunkiem od 31+ do 53+ i zbadali ponad 1800 stanów energetycznych i niemal 62 000 przejść elektronowych. Na ich podstawie wybrano jon ^229mTh³⁹⁺, dla którego wyznaczona energia stanu wzbudzonego wyniosła 8,308±0,069 eV. „Analiza procesu NEET dla wybranego jonu wykazała niezwykle wysoką efektywność wzbudzeń na poziomie 2,5*10¹⁶ s^–1 w warunkach rezonansu, choć poza nimi wartość ta spada o wiele rzędów wielkości” – opisuje dr Kozioł.

Na podstawie uzyskanych wyników, specjaliści z NCBJ zaproponowali eksperyment, jaki można przeprowadzić z wykorzystaniem urządzenia EBIT (Electron Beam Ion Trap). Przewidywania eksperymentu wskazują, że w momencie rezonansu można będzie uzyskać efektywność wzbudzeń nawet na poziomie 5*10²⁰ na sekundę. Uwzględniając niepewność energii wzbudzenia, wartość ta może spaść nawet do 4,4 na sekundę. Tak ogromny zakres wartości pozwoli na precyzyjną weryfikację teorii opisującej proces NEET. „Pochylenie się nad izomerem ^229mTh pozwoliło nam dokładnie zbadać proces wzbudzania jąder przez przejścia elektronów przy dobrze zdefiniowanych warunkach, a zwłaszcza niezwykle niskiej energii wzbudzenia” – podsumowuje dr hab. Jacek Rzadkiewicz, prof. NCBJ, współautor pracy. „Co więcej, przewidywania, jakie otrzymaliśmy dla eksperymentów, mogą otworzyć drogę dla jego wydajnej produkcji do rzeczywistych zastosowań, takich jak nowy standard zegarów atomowych. ”

Oryginalna publikacja: K. Kozioł, J. Rzadkiewicz, "Nuclear excitation by near-resonant electron transitions in ²²⁹Th³⁹⁺229Th39+ ions", Phys. Rev. C 111, 064302, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.111.064302.