İnce toryum tetraflorür filmi atomik nükleer saatleri daha pratik hale getirebilir.
Geleceğin zaman ölçümü: Yeni bir yaklaşım, gelecekteki atomik çekirdek saatlerini daha basit, daha ekonomik ve daha az tehlikeli hale getirebilir. Bir deneyin gösterdiği gibi, toryum florürden yapılmış ince bir film de bu son derece hassas zaman ölçümü için malzeme olarak uygundur. Avantajı: Toryum kristallerinin aksine, bu kadar ince bir filmin vakumlu buharlaştırma kullanılarak üretilmesi kolaydır, daha az toryum-229 gerektirir ve dolayısıyla daha az radyoaktiftir. Nature’daki fizikçiler, bunun atomik nükleer saatleri daha pratik ve hareketli hale getirebileceğini söylüyor.
Not:Toryuma dayanan atomik nükleer saatler, daha da hassas zaman ölçümüne olanak sağlayabilir. Fizikçiler artık bu hedefe doğru bir adım daha attılar.
Bugüne kadar, stronsiyum veya iterbiyum atomlarına dayalı optik atom saatleri, zamanı ölçmek için en doğru araçlardır. Bunlarda, atom kabuklarındaki elektronların kuantum sıçramaları hızı belirliyor. Ancak atomik çekirdek saati ile daha da iyi olabilir. Atom çekirdeğindeki protonlar ve nötronlar da farklı enerji durumlarına sahip olabilir. Geçişleri daha sağlam ve sıradan atom saatlerine göre daha hızlı “işliyor”; bu da saatin daha doğru olacağı anlamına geliyor.
İzotop toryum-229’un böyle bir nükleer saat için umut verici bir aday olduğu düşünülüyor. 2019 gibi erken bir tarihte fizikçiler bu izotopun atom çekirdeğinde uygun bir uyarılma durumu tespit ettiler ve 2023 yılında ilk kez bu duruma geçişi ölçebildiler.
Nadir ve oldukça radyoaktif
Ancak sorun toryumun radyoaktif olması ve doğal olarak oluşmamasıdır. Bu nedenle izotopun öncelikle özel hızlandırıcı sistemlerde büyük masraflarla üretilmesi gerekiyor – küresel stoklar da buna bağlı olarak düşük: “Dünya çapında kabul edilebilir izotopik saflığa sahip yaklaşık 40 gram toryum-229 mevcut, ancak çoğu diğer kimyasal elementlerle karıştırılmış durumda. Colorado Üniversitesi Ortak Laboratuvar Astrofiziği Enstitüsü’nden (JILA) Chuankun Zhang ve meslektaşları bunu uranyum olarak kullanıyor ve bu nedenle kullanılamaz.” diye açıklıyor.
İzotop toryum-229, atom nükleer saatinde bir saat olarak uygun olabilir. Ancak üretilmesi zordur ve radyoaktiftir.
Sonuç olarak, yalnızca birkaç miligram toryum mevcut ve atomik nükleer saatler üzerine araştırmalara uygun. Atomik nükleer saatler için gerekli olan kristallerin üretilebilmesi için özel teknikler gerekmektedir. Daha da kötüsü, bitmiş kristaller oldukça radyoaktiftir ve ortalama 10.000 bekerelden fazladır. Radyasyondan korunma önlemleri olmadan bu kristallerin kullanılması imkansızdır ve bu da bunların saatlere entegrasyonunu zorlaştırır.
Katı kristal yerine buharlaştırılmış katman
Atom saatinin toryum bazlı “kalbini” daha ekonomik, üretimi daha kolay ve çok daha az tehlikeli hale getirecek bir yöntem buldular. Bunun mümkün olmasının nedeni katı toryum kristali yerine ekibin yalnızca 30 ila 10 nanometre kalınlığında ince bir toryum tetraflorür (ThF4) filmi oluşturması ve bunu ölçümler için kullanmasıdır.
Büyük avantaj: Ekibin açıkladığı gibi, toryum florürden yapılmış bu kadar ince bir film, standart vakumlu buhar biriktirme kullanılarak üretilebiliyor ve başlangıç malzemesi olarak saf toryuma ihtiyaç duymuyor. Deneyde toz haline getirilmiş toryum nitratı (Th(NO3)4) kullandılar, suda çözdürdüler ve hidroflorik asit (HF) eklediler. Zhang ve ekibi daha sonra elde edilen toryum florürü vakumda ısıtıp bir yüzey üzerinde yoğunlaşmasını sağlayarak buharlaştırdı.
Daha az radyoaktif ve daha ekonomik
Sonuç, yaklaşık 30 ila 100 nanometre kalınlığında ve yaklaşık 50 mikrometre boyutunda toryum florürden yapılmış bir disktir. “30 nanometre kalınlığında bu hacim, yaklaşık 700 milyar toryum-229 atomuna ve yalnızca iki bekerellik radyoaktiviteye karşılık geliyor” Bu, bu toryum ince filminin daha önce yaygın olarak kullanılan toryum kristallerinin yalnızca binde biri kadar radyoaktif olduğu anlamına gelir. Ayrıca bu ince film, yalnızca birkaç mikrogram değerli toryum izotopuna ihtiyaç duyuyor.
Ancak can alıcı soru şudur: Böyle bir toryum florür ince filmi atomik nükleer saat için de uygun mudur? Bunu belirlemek için fizikçiler, nükleer durumdaki değişimin bu malzemede ölçülüp ölçülemeyeceğini ve ne kadar iyi ölçülebileceğini test etti. Bunu yapmak için toryum içeren ince filmi bir vakum odasında yaklaşık 249 nanometre dalga boyuna sahip bir UV lazerle ışınladılar. Önceki testlere göre, bu değerde toryum atomunun çekirdeği, bir sonraki daha yüksek kuantum durumuna geçmek için ihtiyaç duyduğu enerjiyi tam olarak emer.
Saat geçişi hala ölçülebilir
Ve aslında: Deneyde atomik nükleer saat için gerekli olan hal değişimi toryum tetraflorürde de ölçüldü. Zhang ve ekibi, “Nükleer spektroskopi kullanarak ince filmde toryum-229’un saat geçişini kaydettik” dedi. Alt tabakaya bağlı olarak bu geçiş 2020406 gigahertz veya 2020409 gigahertz’de gerçekleşir. Ancak sinyalin genişliği hala toryum kristalleriyle yapılan ölçümlerden biraz daha yüksekti.
Yine de fizikçiler yaklaşımlarını önemli bir ilerleme olarak görüyorlar. “Bu sonuçlar, toryum-229’un izomerik geçişinin toryum tetraflorür ince filmlerinde de tetiklenip ölçülebileceğini açıkça gösteriyor” diyorlar. “Bu, birçok yeni olasılığın önünü açıyor çünkü toryum florür filmlerinin üretimi zaten oldukça gelişmiş durumda. Örneğin, halihazırda optik kaplamalar için kullanılıyor.” Bu, bu tür ince filmlere dayanan atomik saatlerin toryum kristallerine göre daha ucuz ve daha kolay çalıştırılmasını sağlayacaktır.
Yaygın atom saatlerinden daha doğru
Ek model simülasyonlarına dayanarak, toryum florür filmine dayanan atomik nükleer saatin hassasiyetinin saniyede 50 trilyonda biri civarında olacağını tahmin ediyorlar. Bu zaten bilinen sezyum tabanlı atom saatinden önemli ölçüde daha doğrudur ve optik atom saatleri aralığındadır. Ayrıca ince filmdeki toryum tetraflorürün yapısının ve ölçüm teknolojisinin hala optimize edilebileceğini varsayıyorlar.
Ekibe göre, onların yaklaşımı aynı zamanda atomik nükleer saatleri daha küçük ve daha hareketli hale getirme fırsatını da açıyor. Zhang’ın meslektaşı Yun Ye, “Bu tür atomik çekirdek saatlerinin önemli bir avantajı, taşınabilir olmalarıdır” diye açıklıyor. “Bu potansiyelden yararlanmak için bu sistemleri daha kompakt, daha ucuz ve daha az radyoaktif hale getirmemiz gerekiyor.” Toryum tetraflorür ince filmleri sayesinde tam olarak mümkün olabilecek şey budur.
Kaynak: Doğa, Laboratuvar Astrofiziği Ortak Enstitüsü.