Lazerle uyarılan atom çekirdeği: On yıllar sonra çığır açan bir atılım

 (tuwien.at)
1 puan yazan GN⁺ 2024-04-30 | 1 yorum | WhatsApp'ta paylaş
  • Fizikçiler, onlarca yıldır peşinde oldukları toryum-229 geçişini ilk kez lazerle doğrudan uyararak, atom çekirdeği saati gibi ultra hassas teknolojiler için deneysel bir temel oluşturdu
  • Atom çekirdeği geçişleri genellikle elektron geçişlerinden en az 1.000 kat daha yüksek enerji gerektirir; ancak toryum-229, iki enerji durumu birbirine çok yakın olduğu için istisnai bir aday olarak görülüyordu
  • TU Wien ve PTB araştırma ekipleri, çok miktarda toryum atomu içeren özel bir kristal ile yaklaşık 10^17 atom çekirdeğini aynı anda inceledi ve 21 Kasım 2023’te geçiş enerjisini tam olarak yakalayarak net bir sinyal elde etti
  • Geçiş enerjisinin doğrulanmasıyla atom çekirdeğini daha yüksek enerji durumuna çıkarma ve geri dönüş sürecini hassas biçimde izleme olanağı doğdu; klasik kuantum fiziği ile nükleer fizik arasında deneysel bir yol açıldı
  • Bu başarı, günümüzdeki en iyi atom saatlerinden daha doğru olabilecek atom çekirdeği saatleri, kütleçekim alanı analizi ve doğa sabitlerinin zaman ve mekân içindeki değişimlerinin sınanması gibi temel fizik deneylerine uzanabilir

Toryum-229 geçişi ilk kez lazerle tetiklendi

  • Fizikçilerin uzun süredir aradığı toryum geçişi, ilk kez lazer tarafından uyarılmış duruma getirildi
  • Geçiş enerjisinin tam olarak bilinmesiyle, atom çekirdeğini daha yüksek bir enerji durumuna taşıdıktan sonra başlangıç durumuna dönüş süreci hassas biçimde izlenebiliyor
  • Bu sonuç, TU Wien’den Thorsten Schumm’un araştırma grubu ile National Metrology Institute Braunschweig (PTB) ekibi tarafından birlikte elde edildi ve Physical Review Letters’ta yayımlandı
  • Temel başarı, atom çekirdeğinin ilk hedefli lazer uyarımı oldu

Atom çekirdeğini manipüle etmek neden zor

  • Atomlar veya moleküller, lazer dalga boyu tam olarak ayarlandığında bir kuantum durumundan başka bir duruma geçirilebilir
    • Bu yöntem günümüzde atom saatlerinde, kimyasal analizde, kuantum bilgisayarlarda atom ve molekül tabanlı bilgi depolamada kullanılıyor
  • Atom çekirdekleri de farklı kuantum durumları arasında geçiş yapabilir, ancak genellikle gereken enerji çok daha yüksektir
    • Atom çekirdeği durum geçişleri için genellikle atom veya moleküllerdeki elektronlardan en az 1.000 kat daha yüksek enerji gerekir
    • Sıradan lazer fotonlarının enerjisiyle atom çekirdeğini manipüle etmek zordur
  • Atom çekirdekleri atom ve moleküllerden çok daha küçük olduğu için elektromanyetik alanlar gibi dış bozucu etkilere daha az duyarlıdır
    • Bu özellikleri nedeniyle, ilke olarak benzeri görülmemiş doğrulukta hassas ölçümler için uygundurlar

Samanlıkta iğne aramak gibiydi: geçiş enerjisi arayışı

  • 1970’lerden bu yana toryum-229’un lazerle manipüle edilebilecek özel bir atom çekirdeği olabileceği düşünülüyordu
  • Toryum-229’da iki enerji durumu birbirine çok yakındır; bu nedenle teorik olarak lazer, atom çekirdeğinin durumunu değiştirmek için yeterli olabilir
  • Geçişi tetiklemek için geçiş enerjisinin son derece hassas biçimde bilinmesi gerekir
    • Geçiş enerjisini 1 elektronvolt düzeyinde bilmek yeterli değildir
    • Geçişi saptamak için yaklaşık elektronvoltun milyonda biri hassasiyetinde ayar yapmak gerekir
  • Araştırma ekibi bu arayışı samanlıkta iğne aramaya ya da kilometrelerce uzunluktaki bir adaya gömülü küçük bir hazine sandığını bulmaya benzetiyor

Özel kristalle sinyali büyütme yöntemi

  • Bazı araştırma ekipleri toryum atom çekirdeklerini elektromanyetik tuzaklarda tek tek sabitleyerek incelemeye çalışırken, TU Wien ekibi çok sayıda toryum atomu içeren özel bir kristal geliştirdi
    • Kristalin geliştirilmesi ve ölçümlerde Fabian Schaden ile PTB ekibi yer aldı
    • Teknik olarak karmaşık olsa da tek tek atom çekirdekleri yerine çok sayıda atom çekirdeğini aynı anda incelemeyi mümkün kılıyor
  • Lazer, aynı anda yaklaşık 10^17 toryum atom çekirdeğini hedefledi
    • Bu sayı, Samanyolu’ndaki yıldız sayısından yaklaşık 1 milyon kat fazladır
    • Çok sayıda atom çekirdeği etkiyi güçlendirir, gereken ölçüm süresini kısaltır ve gerçek geçişi bulma olasılığını artırır
  • 21 Kasım 2023’te araştırma ekibi toryum geçişinin doğru enerjisini tam olarak yakaladı ve atom çekirdeğinden ilk kez net bir sinyal elde etti
    • Lazer ışını gerçekten atom çekirdeğinin durumunu değiştirdi
    • Daha sonra verilerin gözden geçirilmesi ve değerlendirilmesinin ardından sonuçlar yayımlandı

Atom çekirdeği saatleri ve hassas ölçüm olasılıkları

  • Toryum durumunun nasıl uyarılabileceğinin anlaşılmasıyla bu teknoloji hassas ölçümlerde kullanılabilir hale geliyor
  • Uzun vadeli hedeflerden biri atom çekirdeği saati üretmek
    • Sarkaçlı bir saatin sarkacın salınımını zaman ölçütü olarak kullanması gibi, toryum geçişini uyaran ışığın salınımı da yeni bir saatin zaman ölçütü olarak kullanılabilir
    • Bu saat, bugün kullanılabilen en iyi atom saatlerinden çok daha doğru olabilir
  • Zaman ölçümünün ötesinde, Dünya’nın kütleçekim alanını daha hassas analiz etmek için de kullanılabilir
    • Maden kaynakları veya depremler hakkında ipuçları sağlayabilir
  • Bu ölçüm yöntemi, doğa sabitlerinin gerçekten sabit olup olmadığı ya da zaman içinde çok küçük değişimlerin ölçülüp ölçülemeyeceği gibi temel fizik sorularına da uygulanabilir
  • Araştırma ekibi, mevcut ölçüm yönteminin bir başlangıç noktası olduğunu ve ileride hangi sonuçların elde edileceğinin henüz öngörülemediğini belirtiyor

İlgili okumalar

1 yorum

 
GN⁺ 2024-04-30
Hacker News yorumları

  • Makalenin yazarlarından biriyim; merak ettiğiniz bir şey olursa yanıtlayabilirim. Burada görmek güzel

  • Bu ölçüm başka bir grup tarafından da doğrulandı: https://arxiv.org/abs/2404.12311
    Deneyde kullanılan kristaldeki safsızlıklar, toryum iyonu sinyaliyle karıştırılabilecek her türlü floresans üretebildiği için bu önemli. Artık iki grup, farklı toryum katkılı kristallerde tam olarak aynı sinyali gördüğüne göre, gerçekten nükleer geçişi buldukları yönündeki ikna edicilik artıyor

  • “Lazerin dalga boyu tam olarak ayarlanırsa … toryum-229 adlı özel bir atom çekirdeğini lazerle manipüle etmek mümkün olabilir. 21 Kasım 2023'te ekip sonunda başardı. Toryum geçişinin tam enerjisini yakaladılar ve toryum atom çekirdeği ilk kez net bir sinyal verdi” deniyor; ben de dalga boyunun kaç olduğunu merak ettim
    Yanıt 148.3821 nm. Tabii benim için de pek anlam ifade eden bir sayı değil. Malaysia Airlines MH-370'in dünyanın hangi denizinde bulunduğunu manşet yapıp, “Cocos Islands'ın güney-güneydoğusunda 148.3821 km” gibi bir sayının çoğu kişi için anlamı olmayacağı gerekçesiyle konumu söylememek gibi geldi

    • 148nm, UV-C içinde bile düşük dalga boyu tarafında. Güneşin ürettiği en uzak morötesi olan 200nm'den daha yüksek enerjili; yapay olarak üretilirse atmosfer tarafından güçlü biçimde soğurulup neredeyse opak hale gelecektir
      Görünür ışığı bir oktav olarak düşünür ve renklerin “notalarının” kırmızıdan tekrar maviye sardığını varsayarsak, görünür ışığın mavisinden bir oktav daha yüksek bir maviye karşılık gelir
    • Bu tür fizik, önemine kıyasla şaşırtıcı derecede hafife alınma eğiliminde. Katı konuşursak buna malzeme bilimi demek isterim; pratikte de bir şeyler üretmeye doğrudan uygulanıyor
      Toleranslardaki ve malzemelerdeki küçük iyileştirmeler, bilim-mühendislik-imalat hattının sonunda ekonomik olarak mümkün olan şeyleri büyük ölçüde değiştirir. “Daha yüksek hassasiyetli bir şey üretildi” çoğu zaman büyük haberdir. Yalnızca yarı iletkenlere bakınca bile, bütün bir sektör atomları birkaç nanometre daha iyi taşıyabilme becerisinden muazzam değer yaratıyor
      Makalede kilit sayının atlanması sorun gibi görünüyor; ama aslında okurdan beklenen seviye zaten düşük. O sayı tüm insanlık için 1 trilyon doların üzerinde değere dönüşebilir, ama çoğu kişi bunu partide anlatılacak bir genel kültür bilgisi gibi görecek gibi
    • Daha ciddi bakarsak, hidrojen atomundan elektronu koparmak için 92nm dalga boyunda bir foton gerektiği söyleniyor. Referans olarak şu bağlantı fena olmayabilir: https://web.archive.org/web/20210413042937/https://www.nagwa...
    • Karşılaştırma yapmak gerekirse, son birkaç yılda optik frekans standardı araştırmalarında büyük ilerleme oldu. Optik frekans standartları, mikrodalga sezyum frekans standartlarından daha yüksek frekansta çalıştığı için daha hassas olabilir
      Mevcut adayların https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2 dalga boyları 750nm ile 250nm arasında. Sezyum frekans standardı 32.6mm dalga boyu kullanıyor; bu da optik frekans standartlarından yaklaşık 100.000 kat daha büyük
      Yalnızca frekans açısından bakınca, toryum nükleer geçişinin optik geçişlerden neden çok daha iyi olduğunu pek anlayamıyorum. İlginin asıl noktası daha yüksek frekanslara ölçeklenmesi değilse tabii
    • 148.3821nm ışık, nükleer geçişi uyarmak için kullanıldığından şüphe götürmez biçimde morötesidir. Ancak X ışınları ile gama ışınları arasındaki ayrım, gama ışınlarının atom çekirdeğinden çıkmasına dayanır
      Bu yüzden bir açıdan, nükleer durum temel duruma dönerken yayılan fotona “gama morötesi” denebileceği gibi eğlenceli bir fikir akla geliyor
      https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
      Gerçekte kimse buna gama ışını demeyecek, ama ilginç bir düşünce

  • Büyük resimde kuantum renk dinamiğine bakınca, protonun iç yapısı ya da nükleonlar hakkında gerçekten kesin olarak bildiklerimizin ne kadar az olduğu epey sarsıcı
    Bu, muazzam enerjilerle “sondalama” yönteminin laneti. Gerçekte orada var olan bir şeyi mi algılıyoruz, yoksa devasa çarpışma enerjisinin yan ürünlerini mi görüyoruz, %100 emin olmak zor
    Fizikçiler zeki insanlar ve benim yapamayacağım şeyler yapıyorlar. Yine de kesinliğin sınırları var; özellikle protonun içinde hâlâ bilmediğimiz birinci ilkeler işliyor. Fotonların ve lazerlerin hassasiyetini bu nükleon dünyasına taşımak muazzam bir şey olacak diye umuyorum

    • Benim kıt aklımla, asıl şaşırtıcı olan ne kadar çok şey bildiğimiz
    • Belki masaüstünde genel görelilik deneyleri bile yapılabilir. Kütleçekim 1/r² ile gittiği için r küçük olduğunda kütle terimi daha az önemli hale gelebilir ve genel görelilik çeşitli biçimlerde test edilebilir [1], özellikle de Shapiro gecikmesi[2] mümkün olabilir
      Bu da kuantum kütleçekim etkilerini sondalamanın bir yolu olabilir
      1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
      2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay

  • Bunun gerçekten gerçekleştiğini görmek sevindirici. Geçmişte yakalanmış iyonlarla bunu denediğimizde, ben ve GaTech’teki çalışma arkadaşlarım Th(232) 3+’ı ilk kez yakalayıp lazerle soğutmuştuk
    https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...

  • “Dünya’nın kütleçekim alanını çok daha hassas analiz ederek maden kaynaklarına ya da deprem belirtilerine dair ipuçları sağlayabilir” kısmının askeri uygulamaları da yok mu?
    Nükleer denizaltılarda GPS alternatifi olarak kullanılabilir
    https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
    https://news.ycombinator.com/item?id=36222625

    • Bir arkadaşım böyle bir şirket olan https://www.atomionics.com/’ta çalışıyor; madencilik şirketleriyle pilot uygulamalar yürütüyorlar
    • Bu teknoloji silahlandırılabilir

  • Makaleye göre ışık yaklaşık 140 nm, yani 8.4eV civarında UV-C. Ancak geçişi tetiklemek için enerjinin çok hassas biçimde tutması gerekiyor. Çünkü çekirdek durumunda fazla enerjiyi atacak bir yer yok

    • Nükleer geçişin Q değeri gerçekten akıl almaz derecede büyük. Bu, serbest atomun yarı ömrünün 1700 saniyeyi aşması gibi uzun ömürden de anlaşılıyor
      Belirsizlik ilişkisi genellikle delta-p delta-x > hbar/2 şeklinde yazılır ama delta-t delta-E > hbar/2 şeklinde de yazılabilir. Bu yüzden yarı ömür çok uzunsa delta-E çok küçük olabilir
      Bu olgu Mössbauer spektroskopisinde, yani katılarda geri tepmesiz gama yayımında kullanılır. Pik o kadar keskindir ki Pound ve Rebka bunu 1960’ta Harvard laboratuvarında kütleçekimsel kırmızıya kaymayı tespit etmek için kullandı; 1964’te de %1 doğruluğa ulaşıldı
      https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
    • Enerjinin neden bu kadar hassas olması gerektiğini merak ediyordum, şimdi anladım. Bu geçişin bu kadar düşük enerjili olmasının nedeni ne?
      Bildiğim diğer atomik uyarılmış durum yalnızca Mössbauer spektroskopisinde kullanılan demirin uyarılmış durumu; onun geçişi çok daha yüksek enerjili. Ayrıca onda çekirdeğin elektronik durumuyla bir miktar bağlaşım var. Bu toryum geçişinin elektronik durumla bağlaşmamasının özel bir nedeni olup olmadığını da merak ediyorum
    • İlginç, ama yine de bir ölçüde hata toleransı olması gerekir gibi geliyor. O zaman az miktarda fazla enerji olabilir; o enerji nereye atılıyor ve tolerans aralığı ne kadar?
    • Elektronik geçişler genelde fazla enerjiyi nereye atar?

  • “Dünya’nın kütleçekim alanını çok hassas analiz etmek maden kaynaklarına dair ipuçları sağlayabilir” deniyor; bunun nasıl mümkün olduğunu merak ediyorum
    Yeterince hassas bir kütleçekim alanı ölçümüyle yanından geçen bir denizaltının algılanabileceği gibi bilimkurgu tarzı bir fikir düşünmüştüm. Matematiğinden emin değilim ama mümkünse nükleer stratejinin önemli bir kısmını etkisizleştirebilir. Matematiği biraz kurcalamam gerekecek

    • Kütleçekim alanını haritalayarak maden yatakları bulma yöntemi aslında çok eskiden beri kullanılıyor
      1888’de tasarlanan Eötvös sarkacı, yani Eötvös burulma terazisi, bu tür ölçümleri başlattı. 1920’lerde jeofizikçiler, kütleçekim alanı gradyanını çok hassas ölçerek yeraltı yataklarını haritalamada bunu yaygın biçimde kullanıyordu
      Daha sonra daha iyi keşif ekipmanları çıkınca yerini onlara bıraktı. Bu cihaz başlangıçta eylemsizlik kütlesi ile kütleçekim kütlesinin çok yüksek hassasiyetle aynı olduğunu, daha doğrusu doğrusal korelasyon içinde olduğunu sınamak için yapılmıştı
      https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
      https://www.nature.com/articles/118406a0
      Denizaltı tespiti çok daha zordur ve başkalarının da söylediği gibi pratikte imkânsızdır
    • Kuantum seyrüsefer sistemlerine bakabilirsiniz. Denizaltıları takip etmek için değil; Dünya’nın kütleçekim alanındaki ince farkları kullanarak konum belirleyen bir GPS alternatifi olarak denizaltılarda kullanılmak isteniyor
      Yanlış hatırlamıyorsam Royal Navy geçen yıl ilk resmi denemesini yaptı
    • Yeterince hassas bir saat görelilik sensörü gibi çalışabilir. Küçük kütleçekim değişimlerinin uzay-zamanın “zaman” bölümünde yarattığı değişimleri ölçme yöntemi
    • https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/AD1012150.pdf
      Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
    • Dünya’nın manyetik alan sapmaları zaten denizaltı tespiti vb. için kullanılıyor. Büyük demir bazlı cisimler manyetik alanda küçük ama algılanabilir sapmalar oluşturur
      Tespit mesafesi oldukça kısadır, ama üstten uçan uçaklardan bile kullanılabilecek kadardır
    1. Bunun toryumu nükleer yakıt olarak kullanmakla ilgisi var mı? Yok gibi görünüyor
    2. Dalga boyu biriminin özel bir anlamı var mı? Belirli bir sayıya daralttıklarını söylüyorlar; bu hassasiyet bir şeye karşılık geliyor mu? Ayrık bir ölçek mi var, yoksa çok küçük bir ± aralığındaki değerler mi çalışıyor, merak ediyorum
    • Nükleer enerjiyle aslında ilgisi yok. Tek istisna toryum-229’un reaktörde üretilmesi
      Bu sonuç, toryum-229 kullanan atom saatleri yapma hedefine giden yolda en önemli adım
    • Henüz değil. Ama biri, nükleer yakıt atomları fisyona uğradığında her zaman bir gecikmiş nötron öncülü ve kararlı ya da neredeyse kararlı bir atom olarak parçalanmasını ve uzun vadeli artık ısı oluşmamasını sağlayacak koşulları ayarlayabilirse, nükleer enerjide devrim yaratabilir
      Bu hayalin imkânsız olduğu söylendi, ama yine de bir cin dilek hakkımı kullanacak olsam bunu seçerdim. Şu anda periyodik tablonun yarısına yayılarak parçalanıyor ve her türlü baş ağrısını yaratıyor

  • Şu an ayrıntılı yazacak zamanım yok, ama bu gerçekten heyecan verici bir haber
    Toryum çizgisini bulmak, hassas ve temel ölçümlerde en önemli çözülmemiş problemlerden biriydi