О проблемах создания ядерно-оптического стандарта частоты на основе 229Th
Ф. Ф. Карпешин, Л. Ф. Витушкин
ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева», г. Санкт-Петербург, Россия
Использование резонансных свойств электронной оболочки является решающим фактором создания стандарта частоты и часов следующего поколения на основе ядерно-оптического резонанса [1]. Наиболее вероятным кандидатом является 8.2-эВ изомер 229mTh. Вследствие близости энергии изомера к энергиям многих атомных переходов этот изомер образует резонанс с многими атомными уровнями [2]. Наиболее важен резонанс с электронным переходом 7s – 8s. Использование резонансных свойств электронной оболочки как оптического резонатора сделает возможными манипуляции с изомером: его оптическую накачку и опрос состояния, в котором находится ядро, что является необходимым условием создания стандарта частоты. Осуществление ядерно-оптического резонанса на практике позволит измерить энергию ядерного перехода с большой точностью, характерной для оптических методов. Можно говорить о создании новых ядерно-лазерных технологий для оптической накачки ядерных изомеров и других манипуляций над атомными ядрами.
С этой точки зрения мы проводим анализ имеющихся экспериментальных результатов относительно энергии и времени жизни 229mTh. Время жизни различается на порядки величины в нейтральных атомах и ионах различной кратности вследствие резонансного взаимодействия с электронной оболочкой, изменяясь от 10 мкс до нескольких часов в трёхкратных ионах. Сюрпризом оказалось короткое время жизни в однократных ионах, что получило название ториевой загадки. Загадка объясняется зависимостью времени жизни изомера от внешних условий: давления и температуры [1, 3]. Это наряду с выравнивающей ролью фрагментации одноэлектронных уровней указывает на возможное разрешение ториевой загадки. Рассматривается вклад Е2-компоненты в электромагнитный распад ядерного изомера.
С учетом накопленного опыта, в рамках последовательного теоретического анализа обсуждается оптимальная электронно-ядерная конфигурация 229Th, наиболее подходящая для возбуждения ядерно-оптического резонанса. Практически удобным является метод, известный в метрологии как комб-генератор [4]. Посредством этого метода можно возбудить ядерный изомер, используя единственный лазер, путем кратного умножения гармоник.
Литература
1) Витушкин Л. Ф., Карпешин Ф. Ф., Тржасковская М. Б. Актуальные проблемы создания ядерно-оптических стандартов частоты на основе 229Th // Ядерная физика. 2020. Т. 83. № 6. С. 463–469.
2) Карпешин Ф. Ф. Мгновенное деление в мюонных атомах и резонансная конверсия. М.: Наука, 2006.
3) Karpeshin F. F., Trzhaskovskaya M. B. A proposed solution for the lifetime puzzle of the 229mTh+ isomer // Nucl. Phys. A. 2021. Vol. 1010. P. 122173.
4) Карпешин Ф. Ф., Тржасковская М. Б. Ядерно-оптические стандарты частоты: новое поколение // Труды ИПА РАН. 2016. Вып. 36. С. 15.