Физики из Венского технического университета и Национального института метрологии Брауншвейга впервые с помощью лазера изменили энергетическое состояние атомного ядра, а затем точно измерили энергию перехода. Это открытие объединяет квантовую и ядерную физику, открывая путь для создания сверхточных ядерных часов.

Манипулируя атомами или молекулами с помощью лазера, физики умеют переключать квантовые состояния. Однако долгое время казалось невозможным применить эти методы к атомным ядрам. «Обычно для перехода атомного ядра из одного состояния в другое требуется гораздо больше энергии — по крайней мере, в тысячу раз больше энергии электронов в атоме или молекуле», — объясняет Торстен Шумм, руководитель исследования.

Еще в 1970-е годы физики предположили, что может существовать особое атомное ядро торий-229, которым легко манипулировать с помощью лазера. Два энергетических состояния у него настолько близко расположенных, что достаточно лазера для переключения между ними. Но долгие время ученым не удавалось рассчитать правильную энергию для перехода.

Физики разработали кристаллы, в которые включено большое количество атомов тория. Хотя это было сложно реализовать технически, кристаллы позволяли поражать лазером примерно 10¹⁷ ядер тория одновременно. Большое количество ядер тория усилило эффект, сократив необходимое время измерения и увеличив вероятность обнаружения энергетического перехода — энергии, необходимой для перехода.

21 ноября 2023 года ученые впервые добились успеха: они подобрали правильную энергию перехода тория и зафиксировали четкий сигнал. Лазерный луч изменил состояние атомного ядра. После тщательного изучения и оценки результатов, информация об открытии опубликована в журнале Physical Review Letters.

Атомные ядра — идеальные квантовые объекты для точных измерений: они намного меньше атомов и молекул и поэтому гораздо менее восприимчивы к внешним возмущениям, таким как электромагнитные поля. Поэтому измерения можно будет проводить с беспрецедентной точностью, объясняют авторы исследования.

Управляя переходами, можно с рекордно высокой точностью измерить время и создать ядерные часы. Кроме того, гравитационное поле Земли теоретически можно будет проанализировать настолько точно, что можно будет указать на наличие минеральных ресурсов или землетрясений. Также этот метод подойдет для проверки неизменности физических констант.