Mặc dù chúng ta không thể nhìn thấy nó, chúng ta sống trong một thế giới lượng tử hóa, nơi ánh sáng chiếu sáng ngày của chúng ta được tạo thành từ các gói năng lượng nhỏ và các nguyên tử cấu thành vật chất được chia tương tự thành các dải năng lượng rời rạc.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu ở Áo và Đức đã đạt được mục tiêu kéo dài hàng thập kỷ là sử dụng laser để kích thích một đồng vị của thori – không phải electron của nó, mà là bó proton và neutron liên kết chặt chẽ tạo nên cốt lõi của nó.
Với một cú giật năng lượng tương ứng chính xác với khoảng cách giữa hai trạng thái lượng tử của hạt nhân, hạt nhân thorium-299 được tạo ra để ‘nhảy’ giống như các electron, toàn bộ nguyên tử và phân tử cũng có thể làm được.
“Thông thường hạt nhân nguyên tử không thể được điều khiển bằng laser. Năng lượng của các photon đơn giản là không đủ”, nhà vật lý Thorsten Schumm của Đại học Công nghệ Vienna giải thích.
Việc đẩy hạt nhân nguyên tử từ trạng thái lượng tử này sang trạng thái lượng tử khác đòi hỏi năng lượng gấp ít nhất một nghìn lần so với các electron thực hiện bước nhảy giữa các vỏ quỹ đạo, Schumm tiếp tục. Các nhà nghiên cứu cũng cần biết chính xác khoảng cách năng lượng đó là gì, để họ có thể tinh chỉnh tia laser của mình.
Thorium-299 được chọn làm mục tiêu vì hạt nhân của nó có hai trạng thái năng lượng liền kề nhau rất gần nhau mà Schumm và các cộng sự của ông tại Viện Đo lường Quốc gia Đức, PTB, nghĩ rằng – giống như nhiều nhà khoa học trước họ – có thể mở khóa “quá trình chuyển đổi thorium” nổi tiếng.
Các nhà khoa học đã cố gắng đo lường chính xác khoảng cách năng lượng này kể từ những năm 1970, khi các thí nghiệm phân rã lần đầu tiên tiết lộ sự gần gũi của hai trạng thái năng lượng của thorium-299.
Nhưng những phép đo đó không đủ chính xác để phát hiện sự khác biệt năng lượng (đó là quá trình chuyển đổi thorium) và do đó biết xung năng lượng chính xác, hoặc ‘kích thước đồng xu’, cần thiết để dịch chuyển hạt nhân giữa hai trạng thái.
Trên thực tế, vì quá trình chuyển đổi thorium rất khó quan sát, sự tồn tại của nó chỉ được xác nhận vào năm 2016 và được đo trực tiếp (không suy luận) lần đầu tiên vào năm ngoái.
“Bạn phải đạt đúng năng lượng với độ chính xác một phần triệu electron volt để phát hiện sự chuyển đổi”, Schumm nói.
Để tăng cơ hội tìm thấy sự chuyển đổi thorium chính xác, nhóm của Schumm đã tạo ra các tinh thể chứa hàng nghìn tỷ nguyên tử thorium, thay vì đặt các nguyên tử thorium đơn độc vào bẫy điện từ và đập chúng riêng lẻ, như nhiều nhóm trước đây đã làm.
Các tinh thể phải hoàn toàn trong suốt để laser chỉ ảnh hưởng đến các nguyên tử thori tích hợp và chỉ có kích thước vài mm để giảm thiểu bất kỳ nhiễu nào.
Vào tháng 11 năm 2023, cuối cùng họ đã tìm thấy nó: một tín hiệu rõ ràng từ các thí nghiệm của họ đã cho họ một phép đo được cải thiện nhiều cho quá trình chuyển đổi thorium là 8,355743 ± 0,000003 electron volt.
Là một phần nhỏ năng lượng chuyển tiếp của các hạt nhân nguyên tử khác mà các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu, nhóm của Schumm đã có thể sử dụng laser để bàn, thay vì ánh sáng tia X năng lượng cao từ synchrotron, để chuyển hạt nhân thorium-299 từ trạng thái cơ bản thấp sang trạng thái siêu bền cao hơn một chút.

Bước đột phá được chờ đợi từ lâu cho thấy các nguyên tử thorium-299 được nhúng trong các tinh thể rắn thực sự có thể được sử dụng để tạo ra một đồng hồ hạt nhân ổn định, chính xác và thực tế hơn nhiều so với đồng hồ nguyên tử hiện có.

“Phương pháp đo lường của chúng tôi chỉ là khởi đầu”, Schumm nói về các ứng dụng tiềm năng trong công việc của họ, bao gồm các phép đo cực kỳ chính xác về thời gian và trọng lực. “Chúng tôi chưa thể dự đoán kết quả chúng tôi sẽ đạt được với nó. Nó chắc chắn sẽ rất thú vị.”

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Theo: Long-Awaited Breakthrough: Laser Excites Atomic Nuclei For Precision Measurement : ScienceAlert