Тонкая плёнка диоксида тория толщиной всего 10 нанометров нанесена на стальной диск. Лазерный импульс бьёт в неё, но вместо ожидаемого свечения детектор ловит поток электронов. Так впервые удалось увидеть ядерный переход тория-229 в материале, который полностью поглощает собственное излучение. Ядро-невидимка заговорило на языке электронов.

Переход в тории-229 уникален: его энергия настолько мала, что ядро можно раскачать обычным лазером, настроенным на длину волны около 148 нанометров. Но до сих пор такие эксперименты проводились только в кристаллах, прозрачных для вакуумного ультрафиолета, — фториде кальция, фториде тория. Прозрачность была обязательным условием: иначе испущенный ядром фотон не выйдет наружу и его нечем будет зарегистрировать. Это ограничивало выбор материалов и не позволяло исследовать многие соединения тория, например его оксид ThO2.

Новый подход использует другой канал распада возбуждённого ядра — внутреннюю конверсию. Ядро передаёт энергию не фотону, а одному из собственных электронов атома, выбивая его из оболочки. Электрон вылетает из материала, и его можно поймать детектором. Так ядерный переход становится слышимым даже в непрозрачной среде. В эксперименте использовалась микроканальная пластина, собиравшая электроны с помощью электрических и магнитных полей. Чтобы отсечь фоновые фотоэлектроны, мишень попеременно заряжали положительно и отрицательно, а детектор включали с задержкой после лазерного импульса. Сканируя частоту лазера, удалось снять резонансный пик при 2020407.5 ГГц — это согласуется с измерениями в прозрачных кристаллах.

Измеренное время жизни изомерного состояния — 12,3 микросекунды — на порядок меньше теоретической оценки для объёмного кристалла. Расхождение объясняют дефектами и поверхностными эффектами. Но даже такое время жизни позволяет оценить потенциальную нестабильность ядерных часов на основе ThO2: около 2×10⁻¹⁸ за секунду усреднения. Это уровень лучших атомных часов, но в устройстве, которое можно разместить на чипе.

Метод конверсионной электронной спектроскопии снимает фундаментальное ограничение: теперь для ядерной спектроскопии тория пригодны не только прозрачные кристаллы, но и оксиды, нитриды, другие соединения с узкой запрещённой зоной. Появляется возможность изучать, как локальное окружение ядра — фононы, электронная структура, дефекты — влияет на частоту перехода и скорость конверсии. А в перспективе — создать ядерные часы с электрическим считыванием: конверсионные электроны создают ток, который можно измерять напрямую, без громоздкой оптики.

Тонкая плёнка на стальном диске превращается в датчик, способный улавливать сигнал невидимого маяка — ядерного перехода. Маяк, который раньше можно было увидеть только в прозрачной среде, теперь слышен и в темноте.