Двухфотонный электронно-ядерный резонанс как мост к ядерно-оптическим часам

Ф. Ф. Карпешин, Л. Ф. Витушкин

ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, г. Санкт-Петербург, Россия

В текущих научных исследованиях большое внимание уделяется проблеме создания ядерно-оптических часов и стандарта частоты следующего поколения. 2024-й год войдет в историю физики и метрологии как год ядерно-оптических часов. Он ознаменован фонтаном публикаций по успешному возбуждению лазером ядра ²²⁹Th совместными усилиями физиков PTB, LMU München, JILA, UCLA и др. [1–2].

Рекордные образцы атомных часов демонстрируют относительную погрешность в пределах нескольких единиц 10^-18, в то время как для решения сложных фундаментальных и прикладных задач необходимо дополнительное снижение погрешностей еще на порядок величины. Хорошие перспективы имеет разработка атомных часов на тяжелых ионах. Дальнейшее снижение погрешности позволило бы решить давно назревший вопрос о возможном дрейфе фундаментальных констант. Наиболее актуальной задачей современной физики является поиск темной материи и энергии. Здесь фундаментальная идея заключается в обнаружении волновых колебаний частиц сверхлегкой материи при ее взаимодействии с обычной материей. И их использование для поиска дрейфа фундаментальных констант не имеет аналогов, поскольку вклад ядерной компоненты в частоту перехода, по сравнению с кулоновской, значительно сильнее, чем в оптических. Это обстоятельство создаёт фактор усиления чувствительности к изменению констант на три порядка по величине.

Некоторые проекты основаны на совместном использовании атомных и ядерных часов, с использованием указанных особенностей последних. Кандидатом номер один для создания ядерных часов является уникальный нуклид ²²⁹Th, возбужденное состояние которого 3/2+[631] лежит на высоте всего 8.355740(3) эВ выше основного состояния 5/2+[633]. Дефакто в работе [2] осуществлен рабочий ход ядерно-оптических часов, пока, впрочем, с погрешностью в двенадцатом знаке. Обсуждается возможность дальнейшего уточнения энергии изомера в целях дальнейшего уменьшения погрешности по методу резонансной оптической накачки. Внимание сосредоточено на учете ширины резонанса. Это либо помогает увеличить шаг сканирования и, таким образом, сократить время сканирования, либо просто увеличивает сечение на порядки величины [3–4]. Предложенный двухфотонный метод использует радикальное уширение изомерной линии за счет смешивания с электронным переходом. Он не обременен уменьшением сечения, сопровождающего уширение резонанса, происходящее вследствие внутренней конверсии или преднамеренного экстра-уширения спектральной линии лазера накачки. В рассматриваемом случае, согласно расчетам, он оказывается на два порядка эффективнее. Этот метод применим как к ионизированным, так и к нейтральным атомам тория. Реализация метода предполагает возбуждение как ядра, так и электронной оболочки в конечном состоянии.

Литература

1) Tiedau J., Okhapkin M. V., Zhang K. et al. Laser excitation of the Th-229 nucleus // Phys. Rev. Lett. 2024. Vol. 132. Р. 182501.

2) Zhang С., Ooi Т., Higgins J. S. et al., Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock // Nature. 2024. Vol. 633. Р. 65.

3) Karpeshin F. F. Laser-assisted two-photon electron-nucleus resonance as applied to producing the 229mTh isomer // Phys. Rev. C. 2024. Vol. 110. Р. 054307.

4) Karpeshin F. F., Vitushkin L. F. Tuned electron-nucleus resonance as a tool of producing the 229mTh isomer // International Journal of Applied Sciences & Development. Doi: 10.37394/232029.2025.4.