Toryumun tercih ettiği bölgelerin haritalanması nükleer saatlerin önünü açabilir

Onlarca yıldır fizikçiler, katı malzemelerin içine bakmak için Mössbauer spektroskopisi adı verilen bir teknik kullandılar ve atom çekirdeklerinin gama ışınlarını nasıl emip yeniden yaydığını inceleyerek çevrelerinin ince ayrıntılarını ortaya çıkardılar.

Yayınlanan yeni araştırmalar sayesinde BilimOkayama Üniversitesi’nden Takahiro Hiraki liderliğindeki bir ekip, toryum-229 atomlarının çekirdeklerini incelemek için gama ışınları yerine görünür-bitişik ışık kullanarak bu yaklaşımı tamamen yeni bir alana taşıdı. Bu ilerleme, bir gün zamanı daha önce yapılmış olanlardan daha hassas bir şekilde ölçebilecek cihazlar olan nükleer saatlere doğru umut verici yeni bir yol sunuyor.

Nükleer değişimleri araştırmak

Katı bir kristal içinde atom çekirdekleri mükemmel şekilde tekdüze bir ortamda bulunmaz. Komşu atomlar çok küçük elektrik alanları ürettiğinden, nükleer enerji seviyeleri, her bir çekirdeğin etrafındaki yerel yapıyı ortaya çıkaracak şekilde hafifçe kayar. Bu kaymalar, artık kimya ve jeolojide katı malzemeleri ölçmek için değerli bir araç olan Mössbauer spektroskopisi adı verilen bir teknik kullanılarak ölçülebilir.

Bu arada nükleer saatlerin pratik olarak hayata geçirilebilmesi için daha kat etmesi gereken çok yol var. Bugüne kadar atom saatleri, atomik elektronlarda meydana gelen enerji seviyesi geçişlerinin frekanslarını takip ederek zamanı ölçen, mevcut en doğru zaman tutuculardır.

Buna karşılık, nükleer saatler çekirdeğin derinliklerinde meydana gelen geçişleri izleyebilir ve bu da onları başıboş elektrik ve manyetik alanlara karşı çok daha az duyarlı hale getirir. Şimdilik, bu geçişleri tetiklemek için gereken gama ışını lazerleri henüz mevcut değil; önemli bir istisna dışında.

İzotop toryum-229’da nükleer geçiş alışılmadık derecede düşük bir enerjide bulunuyor ve buna gama ışını kaynağı yerine ultraviyole lazerle ulaşılabiliyor. Hiraki’nin ekibi, çalışmalarında bu tuhaflığı Mössbauer tarzı analizle birleştirerek toryum-229’u kalsiyum florür kristallerine katkıladı ve onu dar, ayarlanabilir vakumlu ultraviyole lazerle araştırdı.

Kafes sitelerini haritalama

Elde edilen sonuçlar, toryum iyonlarının kristal kafes içinde dört farklı konuma yerleşebildiğini ve her birinin çevredeki elektrik alanında karakteristik bir parmak izi bıraktığını ortaya çıkardı. Araştırmacılar, lazerlerini her bölgeye ayrı ayrı hitap edecek şekilde ayarlayarak, seçilen bir konumda toryum çekirdeklerini seçici olarak uyarabildiler. Daha sonra, bu uyarılmış durumun bozulmadan önce ne kadar sürdüğünü ve lazer ışığının kendisinin bu bozulmayı nasıl hızlandırabildiğini ölçebildiler.

Ancak dört sitenin tümü eşit derecede yararlı değildir. Pratik bir nükleer saat için toryum atomlarının tek tip ve öngörülebilir bir ortamda bulunması gerekir. Buna karşılık, bazı alanlar zamanlama hatalarına neden olan orantısız elektrik alanları üretir.

Hiraki’nin ekibi, her bir alanın yapısını ve davranışını karakterize ederek, geleceğin nükleer saat yapıcıları için hangi kristal ortamların hedeflenmeye değer olduğunu ve hangilerinden kaçınılması gerektiğini gösteren etkili bir harita üretti. Sonuç olarak onların çalışmaları, sonunda tek bir çip üzerine inşa edilebilecek kompakt, ultra hassas saatlere doğru temel bir adım sunuyor.