Ученые Китайской академии инженерной физики в Пекине обнаружили, что лазерное излучение может эффективно возбуждать ядра водородоподобного изотопа тория-229, у которого почти все электроны удалены. Результаты исследования, которые были опубликованы в журнале Physical Review Letters, помогут разработать способ создания ядерных часов.
Ядра атомов, в отличие от их электронных оболочек, требуют значительно большей энергии для возбуждения. В эксперименте ученые использовали высокоионный торий-229, у которого остался только один электрон, что делает его ядро гораздо более доступным для взаимодействия с лазерным излучением. Это открытие может стать основой для разработки ядерных часов, которые теоретически могут быть точнее атомных.
Для исследования команда использовала мощные лазеры с интенсивностью порядка 10 в 21-й степени ватт на квадратный сантиметр. При такой мощности они добились того, что около 10 процентов ядер тория-229 могли быть возбуждены за счет одного лазерного импульса. Этот процесс позволяет возбуждать изомерное, метастабильное состояние ядра, что было ранее недостижимым.
При переходе в состояние с более низкой энергией возбужденные ядра тория излучают свет с несколькими гармоническими частотами, что может создать когерентное излучение, подобное лазеру. Это излучение происходит на протяжении 0,01 секунды, в то время как для изолированного ядра тория-229 этот процесс мог бы занять около тысячи секунд. Подобное снижение времени жизни верхних состояний значительно повышает потенциальную применимость материала для создания ядерных часов.
Основой этого механизма является взаимодействие магнитного поля оставшегося электрона с ядром тория. Магнитный дипольный момент электрона, который примерно в тысячу раз больше дипольных моментов ядерных состояний, вызывает сильное расщепление ядерных уровней энергии, что способствует эффективному возбуждению ядра и уменьшению времени перехода на несколько порядков.
Авторы подчеркивают, что их работа открывает новые горизонты в изучении взаимодействия света с атомными ядрами. Эти результаты могут быть использованы в дальнейшем для создания прецизионных приборов, таких как ядерные часы, а также могут найти применение в других областях науки.