В течение многих лет физики по всему миру искали особое состояние атомных ядер тория. Это состояние сулит революционные технологические применения. Например, его можно использовать для создания ядерных часов, способных измерять время точнее, чем лучшие атомные часы, существующие на сегодняшний день. Его также можно использовать для ответа на совершенно новые фундаментальные вопросы физики - например, на вопрос о том, являются ли константы природы на самом деле постоянными или они меняются в пространстве и времени.

Теперь эта надежда сбылась: долгожданный переход тория найден, его энергия теперь точно известна. Впервые удалось с помощью лазера перевести атомное ядро в состояние с более высокой энергией, а затем точно отследить его возвращение в исходное состояние. Это позволяет объединить две области физики, которые ранее были мало связаны друг с другом: классическую квантовую физику и ядерную физику. Важнейшей предпосылкой успеха стала разработка специальных торийсодержащих кристаллов. Исследовательская группа под руководством профессора Торстена Шумма из TU Wien (Вена) совместно с группой из Национального метрологического института Брауншвейга (PTB) опубликовала результаты этого успеха в журнале «Physical Review Letters».

Переключение квантовых состояний

Управление атомами или молекулами с помощью лазеров - обычное дело: если точно подобрать длину волны лазера, атомы или молекулы можно перевести из одного состояния в другое. Таким образом, можно очень точно измерить энергию возбуждения атомов или молекул. На этом основаны многие методы точных измерений, например, современные атомные часы и методы химического анализа. Лазеры также часто используются в квантовых компьютерах для хранения информации в атомах или молекулах.

Однако долгое время казалось, что применить эти методы к атомным ядрам невозможно. «Атомные ядра также могут переключаться между различными квантовыми состояниями. Однако для перехода атомного ядра из одного состояния в другое обычно требуется гораздо больше энергии - по крайней мере в тысячу раз больше, чем энергия переходов электронов в атоме или молекуле", - говорит Торстен Шумм. «Именно поэтому обычно атомными ядрами нельзя управлять с помощью лазеров. Энергии фотонов просто недостаточно».

Но атомные ядра - идеальные квантовые объекты для точных измерений. Ядра гораздо меньше атомов и молекул и поэтому гораздо менее восприимчивы к внешним воздействиям, таким как электромагнитные поля.

Иголка в стоге сена

С 1970-х годов существовали предположения о том, что есть особое атомное ядро, которым, в отличие от других ядер, можно управлять с помощью лазера. Этим ядром оказался изотоп тория-229. Торий-229 имеет два очень близко расположенных энергетических состояния - настолько близко расположенных, что лазера в принципе должно быть достаточно для изменения состояния атомного ядра.

Однако долгое время существовали лишь косвенные доказательства существования этого перехода. «Проблема в том, что для того, чтобы вызвать переход с помощью лазерного луча, необходимо очень точно знать энергию перехода», - говорит Торстен Шумм. «Знание энергии этого перехода с точностью до одного электронвольта мало что дает, если для обнаружения перехода нужно попасть в нужную энергию с точностью до одной миллионной электронвольта». Это все равно что искать иголку в стоге сена.