Excitace jádra thoria-229. Kredit: TU Wien.

Mimo vědeckou komunitu to nejspíš věděl jen málokdo. Fyzici dlouho a nepochybně toužebně očekávali objev velmi speciálního stavu nebo spíš energetického přechodu atomového jádra thoria. Nešlo přitom jen o ryze vědecký přínos, ale také o revoluční technologické aplikace.

Thorsten Schumm. Kredit: Foto Wilke.

Takový objev by se mohl stát základem nové technologie pro měření času – jaderných hodin (nuclear clock). Ty mohou být řádově přesnější než soudobé atomové hodiny. Rovněž by mohl sehrát roli v odpovědích na velké fyzikální otázky, například o povaze konstant, zda jsou za všech okolností konstantní či nikoliv.

Teď se očekávání kolem thoria mohou proměnit ve skutečnost. Vysněný energetický přechod jádra thoria byl objeven, byla určena jeho energie, v experimentu bylo jádro thoria-229 excitováno laserem a pak byl velmi pečlivě pozorován jeho návrat do původního energetického stavu. Zásluhy si připsal tým odborníků, který vedl Thorsten Schumm z rakouské Technische Universität Wien.

Výzkum v laserové laboratoři. Kredit: PTB Braunschweig.

Manipulace s atomy či molekulami pomocí laserů jsou dnes běžné. Při použití vhodné vlnové délky laseru lze přepnout atomy nebo molekuly z jednoho kvantového stavu do jiného a přitom například přesně změřit jejich energii. Využívají toho atomové hodiny, chemické analytické metody nebo třeba kvantové počítače.

S atomy a molekulami to jde už dlouho. S atomovými jádry je to ale úplně jiná káva. S dosavadními postupy to bylo nemožné. Atomová jádra také lze přepnout mezi kvantovými stavy, tedy teoreticky. Ve skutečnosti to vyžaduje mnohonásobně, minimálně tisíckrát více energie než při excitování elektronů v atomech nebo molekulách.

Proto podle Schumma za normálních okolností nelze manipulovat atomová jádra s využitím laserů. Energie laserů prostě nestačí. Pro vědce je to škoda, protože atomová jádra jsou k takovým kejklům mnohem vhodnější než celé atomy či molekuly. Jsou mnohem méně citlivá vůči vnějším vlivům.

Fyzici ale věděli, že existuje jedno velmi speciální atomové jádro, které se od ostatních atomových jader liší tím, že by mohlo být manipulované laserem. Thorium-229. Dva energetické stavy tohoto jádra jsou tak blízko sebe, že vědci doufali v jejich možné přepnutí laserem. Problém bylo, že bylo nutné znát potřebnou energii velice přesně. A k dispozici byl pouze odhad.

Bylo to jako hledat jehlu v gigantické kupě sena. Mnohým se to nepovedlo. Schummův tým ale přišel se skvělým nápadem. Namísto měření jednotlivých atomů thoria-229 použili krystaly s ohromným množstvím těchto atomů. Díky tomu mohli laserem zasahovat asi tak 10 na 17 atomů thoria-229 současně. 21. listopadu 2023 vstoupili do historie, když jako první cíleně laserem přepnuli stav atomového jádra. A to je jenom začátek.

Video: Quo Vadis Thorium-229? Recent progress towards a "Nuclear Clock"

Literatura

Phys.org 29. 4. 2024.

Physical Review Letters 132: 182501.