פיזיקאים זיהו ותמרנו בהצלחה מצב גרעין אטומי תוריום ספציפי באמצעות לייזר. תגלית זו מאפשרת מיזוג בין פיזיקת הקוונטים הקלאסית לפיזיקה גרעינית, ומבטיחה התקדמות בטכנולוגיות מדידה דיוק ופיזיקה בסיסית, כולל פיתוח פוטנציאלי של שעון גרעיני העולה על השעונים האטומיים הנוכחיים בדייקנות. קרן לייזר פוגעת בגרעיני תוריום, המוטבעים בגביש. קרדיט: TU Wien
בפעם הראשונה, לייזרים עוררו בהצלחה את "מעבר התוריום", תהליך שנמשך זמן רב על ידי חוקרים. פריצת דרך זו מכינה את הבמה להתקדמות פורצת דרך בטכנולוגיות דיוק גבוה, כמו שעונים גרעיניים.
פיזיקאים ציפו בשקיקה לפריצת הדרך הזו: מדענים ברחבי העולם בילו שנים בחיפוש אחר מצב ספציפי של גרעיני אטומי תוריום שיכול להוביל להתקדמות טכנולוגית פורצת דרך.
אפשר להשתמש בו, למשל, לבניית שעון גרעיני שיוכל למדוד זמן בצורה מדויקת יותר מהשעונים האטומיים הטובים ביותר הקיימים כיום. זה יכול לשמש גם כדי לענות על שאלות יסוד חדשות לחלוטין בפיזיקה – למשל, השאלה האם הקבועים של הטבע הם למעשה קבועים או שהם משתנים במרחב ובזמן.
עכשיו התקווה הזו התגשמה: המעבר התוריום המיוחל נמצא, האנרגיה שלו ידועה כעת בדיוק. לראשונה, ניתן היה להשתמש בלייזר כדי להעביר גרעין אטום למצב של אנרגיה גבוהה יותר ולאחר מכן לעקוב במדויק אחר החזרתו למצבו המקורי. זה מאפשר לשלב שני תחומי פיסיקה שבעבר לא היו קשורים זה לזה: פיזיקה קוונטית קלאסית ופיזיקה גרעינית. תנאי מוקדם להצלחה זו היה פיתוח של גבישים מיוחדים המכילים תוריום. צוות מחקר בראשות פרופ' תורסטן שום מ-TU Wien (וינה) פרסם כעת את ההצלחה הזו יחד עם צוות מהמכון הלאומי למטרולוגיה בבראונשווייג (PTB) בכתב העת מכתבי סקירה פיזית.
החלפת מצבים קוונטיים
מניפולציה של אטומים או מולקולות באמצעות לייזרים היא דבר נפוץ כיום: אם אורך הגל של הלייזר נבחר בדיוק נכון, ניתן להעביר אטומים או מולקולות ממצב אחד לאחר. בדרך זו ניתן למדוד את האנרגיות של אטומים או מולקולות בצורה מדויקת מאוד. טכניקות מדידה דיוק רבות מבוססות על זה, כמו השעונים האטומיים של היום, אבל גם שיטות ניתוח כימי. לייזרים משמשים לעתים קרובות גם במחשבים קוונטיים לאחסון מידע באטומים או מולקולות.
חוקר ה-PTB יוהנס טיידאו במעבדת הלייזר. קרדיט: PTB Braunschweig
אולם במשך זמן רב, נראה היה בלתי אפשרי ליישם את הטכניקות הללו על גרעיני אטום. "גרעיני אטום יכולים גם לעבור בין מצבים קוונטיים שונים. עם זאת, בדרך כלל נדרשת הרבה יותר אנרגיה כדי לשנות גרעין אטום ממצב אחד לאחר – לפחות פי אלף מהאנרגיה של אלקטרונים ב אָטוֹם או מולקולה", אומר תורסטן שום. "זו הסיבה שבדרך כלל לא ניתן לתפעל גרעינים אטומיים עם לייזרים. האנרגיה של הפוטונים פשוט לא מספיקה".
זה מצער, מכיוון שגרעיני אטום הם למעשה העצמים הקוונטיים המושלמים למדידות מדויקות: הם הרבה יותר קטנים מאטומים ומולקולות ולכן הרבה פחות רגישים להפרעות חיצוניות, כמו שדות אלקטרומגנטיים. באופן עקרוני, הם יאפשרו לכן מדידות עם חסר תקדים דיוק.
המחט בערימת השחת
מאז שנות ה-70, היו השערות שאולי יש גרעין אטום מיוחד, שבניגוד לגרעינים אחרים, אפשר אולי לתפעל אותו בלייזר, כלומר תוריום-229. לגרעין הזה יש שני מצבי אנרגיה צמודים מאוד – כל כך צמודים עד שלייזר אמור באופן עקרוני להספיק כדי לשנות את מצב הגרעין האטומי.
Thorsten Schumm (TU Wien, Vienna) אוחז באחד הגבישים שלו. קרדיט: פוטו וילקה
אולם במשך זמן רב היו רק עדויות עקיפות לקיומו של מעבר זה. "הבעיה היא שאתה צריך לדעת את האנרגיה של המעבר בצורה מדויקת ביותר כדי להיות מסוגל לגרום למעבר עם קרן לייזר", אומר תורסטן שום. "לדעת את האנרגיה של המעבר הזה בתוך וולט אלקטרוני אחד אין תועלת קטנה, אם אתה צריך לפגוע באנרגיה הנכונה בדיוק של מיליונית וולט האלקטרון כדי לזהות את המעבר." זה כמו לחפש מחט בערימת שחת – או לנסות למצוא תיבת אוצר קטנה קבורה על אי באורך קילומטר.
טריק קריסטל התוריום
כמה קבוצות מחקר ניסו לחקור את גרעיני התוריום על ידי החזקתם בנפרד במלכודות אלקטרומגנטיות. עם זאת, תורסטן שום וצוותו בחרו בטכניקה שונה לחלוטין. "פיתחנו גבישים שבהם משולבים מספר רב של אטומי תוריום", מסביר פביאן שאדן, שפיתח את הגבישים בוינה ומדד אותם יחד עם צוות ה-PTB. "למרות שזה די מורכב מבחינה טכנית, יש לזה את היתרון שאנחנו לא רק יכולים לחקור גרעיני תוריום בודדים בדרך זו אלא יכולים לפגוע בערך עשרה בחזקת שבעה עשר גרעיני תוריום בו-זמנית עם הלייזר – בערך פי מיליון יותר ממה שיש כוכבים. בגלקסיה שלנו." המספר הגדול של גרעיני התוריום מגביר את ההשפעה, מקצר את זמן המדידה הנדרש ומגדיל את ההסתברות למצוא בפועל את המעבר האנרגטי.
ב-21 בנובמבר 2023, הצוות סוף סוף הצליח: האנרגיה הנכונה של מעבר התוריום נפגעה בדיוק, גרעיני התוריום העבירו אות ברור בפעם הראשונה. קרן הלייזר למעשה שינתה את מצבם. לאחר בדיקה והערכה מדוקדקת של הנתונים, התוצאה פורסמה כעת.
"עבורנו, זה חלום שמתגשם", אומר תורסטן שום. מאז 2009, שמם מיקד את מחקרו כולו בחיפוש אחר המעבר לתוריום. הקבוצה שלו כמו גם קבוצות מתחרות מכל העולם זכו שוב ושוב להצלחות חלקיות חשובות בשנים האחרונות. "כמובן, אנחנו שמחים שאנחנו עכשיו אלה שיכולים להציג את פריצת הדרך המכרעת: עירור לייזר ממוקד ראשון של גרעין אטום", אומר שום.
החלום של שעון הגרעין האטומי
זה מסמן את תחילתו של עידן חדש ומרגש של מחקר: כעת, כשהצוות יודע כיצד לעורר את מצב התוריום, ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו למדידות מדויקות. "מההתחלה, בניית שעון אטומי הייתה מטרה חשובה לטווח ארוך", אומר תורסטן שום. "בדומה לאופן שבו שעון מטוטלת משתמש בהנפת המטוטלת כטיימר, תנודת האור שמעוררת את מעבר התוריום יכולה לשמש כטיימר לסוג חדש של שעון שיהיה מדויק יותר באופן משמעותי מהשעונים האטומיים הטובים ביותר. זמין היום."
אבל לא רק זמן אפשר למדוד בצורה הזו הרבה יותר מדויק מבעבר. לדוגמה, ניתן לנתח את שדה הכבידה של כדור הארץ בצורה כה מדויקת עד שהוא יכול לספק אינדיקציות למשאבי מינרלים או רעידות אדמה. ניתן להשתמש בשיטת המדידה גם כדי לרדת לעומקן של תעלומות יסוד של הפיזיקה: האם הקבועים של הטבע באמת קבועים? או שאפשר אולי למדוד שינויים זעירים לאורך זמן? "שיטת המדידה שלנו היא רק ההתחלה", אומר תורסטן שום. "אנחנו עדיין לא יכולים לחזות אילו תוצאות נשיג עם זה. אין ספק שזה יהיה מאוד מרגש".
