Iako to ne možemo vidjeti, živimo u kvantiziranom svijetu gdje je svjetlost koja osvjetljava naše dane sastavljena od sićušnih paketića energije, a atomi koji čine materiju na sličan su način podijeljeni u diskretne energetske pojaseve.
Poput novčića u automatu za igre na sreću, ispuštanje pravih kvanta svjetlosti na atom može uzrokovati pomak njegovih elektrona u kvantna stanja viših energetskih pojaseva. I dok se pomiču prema dolje, ti 'novčići' svjetlosti mogu se vratiti.
Sada su istraživači u Austriji i Njemačkoj postigli desetljećima dug cilj korištenja lasera za pobuđivanje izotopa torija - ne njegovih elektrona, već čvrsto vezanog snopa protona i neutrona koji čine njegovu jezgru.
S udarom energije koji tačno odgovara jazu između dva kvantna stanja jezgre, jezgre torija-299 su natjerane da 'skoče' baš kao što to mogu učiniti i elektroni, cijeli atomi i molekule.
"Normalno se atomskim jezgrama ne može manipulirati laserima. Energija fotona jednostavno nije dovoljna", objašnjava fizičar Thorsten Schumm s Tehnološkog univerziteta u Beču.
Prebacivanje atomskih jezgri iz jednog kvantnog stanja u drugo zahtijeva barem hiljadu puta više energije od elektrona koji skaču između orbitalnih ljuski, nastavlja Schumm. Istraživači su također trebali tačno znati koliki je taj energetski jaz kako bi mogli fino ugoditi svoje lasere.
Torij-299 odabran je kao meta jer njegova jezgra ima dva vrlo bliska susjedna energetska stanja za koja su Schumm i njegovi saradnici s Nacionalnog instituta za mjeriteljstvo Njemačke, PTB, smatrali – kao i mnogi naučnici prije njih – da mogu otključati poznati 'prijelaz torija'.
Naučnici pokušavaju precizno izmjeriti ovaj energetski jaz od 1970-ih, kada su eksperimenti s raspadom prvi put otkrili bliskost dvaju energetskih stanja torija-299.
Tokom desetljeća, različiti su timovi stalno poboljšavali svoje procjene, s manje od 100 elektron volti na oko 8. To je količina energije koja se oslobađa (kao zračenje) kada jezgra torija padne iz jednog energetskog stanja u drugo.
Ali ta mjerenja nisu bila dovoljno precizna da bi otkrila razliku u energiji (to je prijelaz torija) i time znala tačan energetski puls, ili 'veličinu novčića', potreban za pomicanje jezgri između dva stanja.
Zapravo, budući da je prijelaz torija tako teško promatrati, njegovo postojanje je potvrđeno tek 2016. i izravno izmjereno (ne izvedeno) prvi put prošle godine.
"Morate pogoditi pravu energiju s preciznošću od jednog milijuntog dijela elektron volta kako biste otkrili prijelaz", kaže Schumm.
Kako bi povećali svoje šanse za pronalaženje tačnog prijelaza torija, Schummov tim napravio je kristale koji su sadržavali trilione atoma torija, umjesto da su pojedinačne atome torija stavljali u elektromagnetske zamke i zatvarali ih pojedinačno, kao što su radili mnogi prethodni timovi.
Kristali su morali biti potpuno prozirni kako bi laser utjecao samo na ugrađene atome torija, te veličine samo nekoliko milimetara kako bi se svele na minimum bilo kakve smetnje.
U novembru 2023. konačno su ga pronašli: jasan signal iz njihovih eksperimenata dao im je znatno poboljšano mjerenje za prijelaz torija od 8,355743 ± 0,000003 elektron volta.
Budući da je djelić energije prijelaza drugih atomskih jezgri koje su istraživači proučavali, Schummov tim je uspio upotrijebiti stacionarne lasere, umjesto visokoenergetskog rendgenskog svjetla iz sinkrotrona, kako bi pomaknuo jezgre torija-299 s nisko ležećeg osnovno stanje u nešto više metastabilno.
Dugo očekivano otkriće pokazuje da bi se atomi torija-299 ugrađeni u čvrste kristale doista mogli koristiti za izradu nuklearnog sata koji bi bio daleko stabilniji, precizniji i praktičniji od postojećih atomskih satova.
"Naša mjerna metoda samo je početak", kaže Schumm o potencijalnim primjenama njihova rada, uključujući ultraprecizna mjerenja vremena i gravitacije. "Još ne možemo predvidjeti kakve ćemo rezultate postići s njim. Sigurno će biti vrlo uzbudljivo."
