تعيش النواة الذرية عادةً في حالة طاقة واحدة، مثل كرة ملقاة على الأرض. لكن لدى الثوريوم-229 استثناء نادر: يمكن للنواة أن تعلق على درجة صغيرة فوق الأرض — فيما يسمى الحالة الأيزومرية. هذه الدرجة منخفضة جداً لدرجة أنه يمكن الوصول إليها بضوء عادي، وليس بإشعاع قاسٍ. ولهذا السبب أصبح أيزومر الثوريوم-229 المرشح الرئيسي للساعات النووية — وهو جهاز يقيس الزمن بناءً على اهتزازات النواة نفسها، وليس الإلكترونات المحيطة بها.
المشكلة تكمن في كيفية إيصال النواة إلى هذه الدرجة. الإصابة المباشرة — مثل رمي الكرة بدقة على حافة ضيقة — تتطلب دقة قناص وتحدث نادراً. اقترح العلماء مساراً غير مباشر: أولاً رمي الكرة عالياً في الهواء، ثم تركها تسقط وتتشبث بالدرجة في طريقها إلى الأسفل. في عالم الذرات، يبدو هذا كذلك: يصطدم إلكترون بالنواة وينقلها إلى مستوى طاقة مرتفع، ثم تنزل النواة نفسها عبر سلسلة من التحولات، وباحتمال معين تتوقف عند الدرجة الأيزومرية.
أظهرت الحسابات لجهازين — حلقات التخزين (حيث تدور أيونات الثوريوم في دائرة) ومصائد الأيونات ذات الحزمة الإلكترونية (حيث تُحتجز الأيونات في سحابة إلكترونية) — أن المسار المتتالي يزيد إنتاج الأيزومرات بعشرات الآلاف من المرات مقارنة بالإثارة المباشرة. الضربة الإلكترونية متبوعة بالتتابع تعطي تضخيماً يصل إلى عشرة آلاف، والتقاط النواة لإلكترون يعطي عدة عشرات من المرات إضافية. هذه القفزة تجعل إنتاج أيزومرات الثوريوم-229 عملياً، ومعها تقترب أيضاً صناعة الساعات النووية.
بندول الثوريوم، الذي يصعب تشغيله الآن، قد يتأرجح في المستقبل في كل مركز مترولوجي — ويقيس الزمن بدقة لا تستطيع الأجهزة الحالية بلوغها. وكل شيء يبدأ من أننا تعلمنا التقاط صدى الذرة على درجة السلم الطاقي.
طاقة الحالة الأيزومرية للثوريوم-229 تبلغ حوالي 8 إلكترون-فولت فقط — وهذا أقل من طاقة فوتون الضوء المرئي. للمقارنة، تتطلب التحولات النووية النموذجية ملايين الإلكترون-فولت. لذلك يمكن إثارة الأيزومر بالليزر، مثل ذرة عادية.
فكرة الساعات المبنية على التحول النووي تشير إلى «الكرونومترات الذرية» في الخيال العلمي، التي تحافظ على الدقة حتى في الفضاء السحيق، حيث تنحرف الساعات العادية.