Ảnh: NIST
Các nhà khoa học tại Học viện Vật lý Kỹ thuật Trung Quốc ở Bắc Kinh đã phát hiện ra rằng ánh sáng laser có thể kích thích một cách hiệu quả hạt nhân của đồng vị giống hydro thorium-229, chất mà gần như toàn bộ electron của nó đã bị loại bỏ. Kết quả nghiên cứu đó được được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, sẽ giúp phát triển phương pháp tạo ra đồng hồ hạt nhân.
Hạt nhân nguyên tử, trái ngược với lớp vỏ electron của chúng, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn đáng kể để kích thích. Trong thí nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng thorium-229 có tính ion cao, chỉ còn lại một electron, khiến hạt nhân của nó dễ tương tác với bức xạ laser hơn nhiều. Khám phá này có thể trở thành cơ sở cho sự phát triển của đồng hồ hạt nhân, về mặt lý thuyết có thể chính xác hơn đồng hồ nguyên tử.
Trong nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia laser công suất cao với cường độ khoảng 10 đến 21 công suất watt trên mỗi cm vuông. Với công suất này, họ đạt được rằng khoảng 10% hạt nhân thorium-229 có thể bị kích thích chỉ bằng một xung laser. Quá trình này cho phép kích thích trạng thái đồng phân, siêu bền của hạt nhân, điều mà trước đây không thể đạt được.
Khi chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn, hạt nhân thorium bị kích thích sẽ phát ra ánh sáng ở nhiều tần số hài hòa, có thể tạo ra bức xạ kết hợp giống như tia laser. Sự phát xạ này xảy ra trong vòng 0,01 giây, trong khi đối với hạt nhân thorium-229 cô lập, quá trình này có thể mất khoảng một nghìn giây. Sự giảm tuổi thọ của các trạng thái phía trên làm tăng đáng kể khả năng ứng dụng tiềm năng của vật liệu để chế tạo đồng hồ hạt nhân.
Cơ sở của cơ chế này là sự tương tác giữa từ trường của electron còn lại với hạt nhân thorium. Momen lưỡng cực từ của electron, lớn hơn khoảng một nghìn lần so với momen lưỡng cực của các trạng thái hạt nhân, gây ra sự phân chia mạnh mẽ các mức năng lượng hạt nhân, thúc đẩy sự kích thích hiệu quả của hạt nhân và làm giảm thời gian chuyển tiếp đi vài bậc độ lớn.
Các tác giả nhấn mạnh rằng công trình của họ mở ra những chân trời mới trong nghiên cứu sự tương tác của ánh sáng với hạt nhân nguyên tử. Những kết quả này có thể được sử dụng trong tương lai để chế tạo những dụng cụ chính xác, chẳng hạn như đồng hồ hạt nhân, và cũng có thể tìm thấy ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học khác.
