ایالات متحده به دنبال توسعه ساعت‌های هسته‌ای با 1000 برابر کمتر رادیواکتیویته با استفاده از فیلم‌های نازک توریم
پژوهشگران در دانشگاه کلرادو بولدر (UCB) و دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس (UCLA) به طور مشترک رویکرد جدیدی برای ساخت ساعت‌های هسته‌ای با استفاده از فیلم‌های نازک توریم پیدا کرده‌اند. این جهش تکنولوژیکی معادل با استفاده از نیمه‌هادی‌ها و مدارهای مجتمع در الکترونیک است و امکان ساخت ساعت‌های هسته‌ای 1000 برابر کمتر رادیواکتیو و ارزان‌تر را فراهم می‌کند، یک بیانیه مطبوعاتی اعلام کرد.
با جستجوی دانشمندان برای روش‌های دقیق‌تر اندازه‌گیری زمان، ساعت‌های هسته‌ای به دلیل استفاده انرژی انتقالات داخل هسته اتم برای زمان‌سنجی، اثبات کرده‌اند که بسیار دقیق‌تر از ساعت‌های اتمی که تاکنون استفاده کرده‌ایم، هستند و کمتر به اختلالات نیروی خارجی حساس‌اند.
ساعت‌های هسته‌ای همچنین به راحتی قابل حمل هستند و امکان پذیرش گسترده آن‌ها وجود دارد. با این حال، دقت ساعت هسته‌ای با هزینه بالایی همراه است. در هسته ساعت هسته‌ای توریم-229 که کمیاب، گران و بسیار رادیواکتیو است قرار دارد.
برای افزایش قابلیت استفاده عملی، تیمی به رهبری جون یه، استاد فیزیک در UCB و اریک هادسون، استاد در UCLA، از فیلم‌های نازک تترافلورورید توریم (ThF4) برای ساخت ساعت‌های هسته‌ای که 1000 بار کمتر رادیواکتیو و ارزان‌تر هستند استفاده کردند.
فیلم‌های نازک توریم
در حالی که ساعت‌های هسته‌ای مبتنی بر توریم بیش از یک دهه است که در حال توسعه هستند، تیم جون یه در UCB از سال 2017 بر روی استفاده از فیلم‌های نازک توریم کار کرده است. تیم با دی‌اکسید توریم (ThO2) که دارای گپ باند پایین‌تر است و تسهیل کننده انتشار الکترون است، آزمایشاتی انجام داده است.
اخیراً، پژوهشگران در موسسات نظیر CERN، UCLA و دیگران نیز انتشار فوتون را مشاهده کرده‌اند. «با تنها کمی تغییر در روش، توانستیم برخی فیلم‌های نازک ThF4 را با استفاده از دستگاهی که اصلاً برای تولید فیلم‌های نازک ThO2 ساخته شده بود، تولید کنیم»، چوان‌کون ژانگ، یکی از پژوهشگران در آزمایشگاه یه، در یک ایمیل به مهندسی جالب توضیح داد.
تیم از فرایند رسوبگذاری بخار فیزیکی (PVD) استفاده کرد، جایی که ThF4 در یک محفظه تا جایی گرم شد که تبخیر شد. سپس اتم‌ها بر روی یک زیرلایه مثل یاقوت کبود یا فلورید منیزیم متراکم شدند چرا که آن‌ها برای نور ماورای بنفش (که برای انتقال هسته‌ای استفاده می‌شود) شفاف بودند.
با استفاده از تنها میکروگرم‌های توریم-229، پژوهشگران توانستند فیلم‌هایی به ضخامت 100 نانومتر ایجاد کنند که 1000 بار کمتر رادیواکتیو در مقایسه با هسته‌های فعال توریم بودند.
یافتن انتقالات انرژی
استفاده از فیلم‌های نازک همچنین دارای چالش‌های خاص خود بود، زیرا باعث تغییراتی در محیط های توریمی می‌شود و انتقالات انرژی را کمتر ثابت می‌کند. بنابراین، پژوهشگران به تیم UCLA مراجعه کردند تا از منبع نور لیزر پهن‌باند برای بررسی انتقالات انرژی استفاده کنند. نور لیزر پهن‌باند دارای توان نوری متمرکز در یک طیف است، و این باعث می‌شود که تحریک فیلم‌های نازک توریم آسان‌تر باشد.
وقتی انرژی از لیزر برای ایجاد انتقال کافی بود، توریم در فیلم‌های نازک فوتون‌ها را برای بازگشت به حالت اولیه خود منتشر کرد. این فوتون‌ها تأیید کردند که فیلم‌های نازک می‌توانند در ساعت‌های هسته‌ای استفاده شوند.
«ما فیلم نازک را ساختیم، آن را مشخصه‌گذاری کردیم و به نظر خوب آمد»، تیان اوی، یک دانشجوی کارشناسی ارشد در UCB، به بیانیه مطبوعاتی اضافه کرد. «جالب بود که دیدیم سیگنال فروپاشی هسته‌ای واقعاً وجود دارد.»
ساعت‌های هسته‌ای روی مچ و فراتر از آن
ساعت‌های هسته‌ای علاقه‌مندی‌ها را جلب کرده‌اند زیرا پتانسیل کوچک شدن و قابل‌حمل شدن دارند. با فیلم‌های نازک توریم، استفاده از ساعت هسته‌ای بر روی مچ دیگر دور از ذهن نیست. نه تنها زمان‌سنجی دقیق، بلکه ساعت‌های هسته‌ای کوچک نیز می‌توانند انقلاب‌هایی در ناوبری و ارتباطات تلکامونیکیشن آینده ایجاد کنند. چیزی که پژوهشگران همچنین مجذوب آن شده‌اند، فیزیک جدیدی است که ممکن است فاش شود.
«ساعت‌های هسته‌ای ابزار اندازه‌گیری دقیقی را ارائه می‌دهند که بر اساس تعاملات اساساً متفاوت (نیروهای هسته‌ای) در مقایسه با ساعت‌های اتمی دقیق (نیروهای کولومب) است»، ژانگ در ایمیل به IE اظهار داشت.
«با مقایسه ساعت هسته‌ای با ساعت اتمی، ممکن است بتوانید فیزیک جدیدی را پیدا کنید اگر نسبت نیروی هسته‌ای و نیروی کولومب به طور مختصر در طول زمان تغییر کند. این اثرات می‌تواند نشانه‌ای از فراتر از فیزیک مدل استاندارد و ماده تاریک باشد.»
«پلتفرم ThF4 ممکن است یک پلتفرم برای میزبانی بسیاری از امیترهای کوانتومی همدوس در چگالی بسیار بالا فراهم کند»، ژانگ در ایمیل اضافه کرد. «این ممکن است به ما امکان دهد پدیده‌های اپتیک کوانتومی جدیدی را بررسی کرده و حتی از پردازش اطلاعات کوانتومی بهره‌مند شویم.»
یافته‌های پژوهش در ژورنال Nature منتشر شد.
