Uno scienziato russo dello Skobelitsyn Research Institute of Nuclear Physics, MSU ha teoricamente dimostrato che la velocità di transizione del torio-229 dallo stato di terra allo stato eccitato può essere gestita in base alle condizioni esterne. La frequenza delle transizioni può essere aumentata o diminuita di decine di volte. Questo effetto contribuirà a orologi estremamente precisi che superano anche i migliori orologi atomici. L'articolo è stato pubblicato su Lettere di revisione fisica .
Gli orologi moderni più precisi sono orologi atomici in cui il tempo viene registrato sulla base della transizione elettronica tra i livelli di energia. Recentemente, gli scienziati hanno suggerito di passare dalle transizioni elettroniche a quelle nucleari che possono aumentare considerevolmente la precisione degli orologi a causa della frequenza più elevata. Però, nella maggior parte dei casi, questa frequenza e l'energia corrispondente sono troppo elevate per l'applicazione del metodo. Il principale candidato da utilizzare in tali orologi è il nucleo di torio-229. Le sue transizioni a bassa energia sono uniche e portano all'emanazione di un fotone dello spettro UV. Il lavoro con i nuclei è complicato a causa della conversione interna che fa sì che l'energia rilasciata nel corso della transizione nucleare venga trasferita a uno degli elettroni e non rilasciata come fotone. La probabilità che un elettrone ottenga energia invece della sua transizione a un fotone in un atomo di torio-229 è 1 miliardo di volte superiore. Però, se l'atomo è posto in un cristallo con un'ampia banda proibita, la situazione cambia.
"La mia idea è che in una guaina elettronica di cristallo possa essere completamente riorganizzata, permettendoci di osservare la radiazione nucleare senza conversione, " ha detto l'autore Evgeny Tkalya del RINP, MSU.
Nel suo nuovo lavoro, ha rivisto teoricamente le transizioni di un nucleo di torio-229 in un cristallo; l'intero sistema è stato coperto con un isolatore, un sottile film dielettrico, o metallo. L'autore ha concluso che l'emissione spontanea può essere controllata se il nucleo è posto all'interno di tali materiali. Questo fenomeno è ben noto per le transizioni ottiche degli elettroni ed è chiamato effetto Purcell. L'analisi ha dimostrato che la copertina, a seconda delle sue dimensioni e proprietà, può modificare la velocità di transizione fino a 50 volte. Questo processo è particolarmente interessante negli orologi, man mano che anche la linea di emissione si restringe, consentendo ai meccanismi di mantenere il tempo in modo più accurato.
"Questo può aumentare la precisione di un ordine di grandezza rispetto agli orologi basati sul torio che non tengono conto di questo effetto, " ha detto lo scienziato. "Utilizzando questi fenomeni fisici aggiuntivi, possiamo raggiungere una precisione relativa superiore a 10 -20 ."
Il problema principale che ostacola lo sviluppo di un prototipo di orologio nucleare è la mancanza di conoscenze sull'energia di transizione. Attualmente, l'imprecisione delle misurazioni per questo valore è di decimi di elettronvolt (eV), e per eccitare efficacemente i nuclei con radiazioni esterne, l'imprecisione dovrebbe essere ridotta al livello dell'eccitante larghezza della linea laser (circa 10 -5 eV).
Lo scienziato ha anche condiviso i risultati degli esperimenti condotti da un gruppo di ricercatori del MEPhI dimostrando che la radiazione può essere controllata e dimostrando le disposizioni teoriche del suo lavoro.
