Атомное ядро обычно живёт в одном энергетическом состоянии, как мяч, лежащий на полу. Но у тория-229 есть редкое исключение: ядро может застрять на крошечной ступеньке над полом — в так называемом изомерном состоянии. Эта ступенька настолько низкая, что её можно задеть обычным светом, а не жёстким излучением. Именно поэтому изомер тория-229 стал главным кандидатом для ядерных часов — прибора, который отсчитывает время по колебаниям самого ядра, а не электронов вокруг него.
Проблема в том, как загнать ядро на эту ступеньку. Прямое попадание — как закинуть мяч точно на узкий выступ — требует снайперской точности и случается редко. Учёные предложили обходной путь: сначала подбросить мяч высоко вверх, а потом дать ему упасть и зацепиться за ступеньку по дороге вниз. В мире атомов это выглядит так: электрон врезается в ядро и переводит его на высокий энергетический уровень, а затем ядро само спускается по каскаду переходов и с некоторой вероятностью останавливается на изомерной ступеньке.
Расчёты для двух устройств — накопительных колец (где ионы тория крутятся по кругу) и электронно-лучевых ионных ловушек (где ионы удерживаются в облаке электронов) — показали, что каскадный путь увеличивает выход изомеров в десятки тысяч раз по сравнению с прямым возбуждением. Электронный удар с последующим каскадом даёт усиление до десяти тысяч, а захват электрона ядром — ещё в несколько десятков раз. Такой скачок делает производство изомеров тория-229 практичным, а вместе с ним приближает и создание ядерных часов.
Ториевый маятник, который сейчас так трудно завести, в будущем может качаться в каждом метрологическом центре — и отсчитывать время с точностью, недоступной нынешним приборам. А начинается всё с того, что мы научились ловить атомное эхо на ступеньке энергетической лестницы.
как её написали авторы, на английском arXiv:2601.22417
The low-energy nuclear isomeric state of \textsuperscript{229m}Th provides a unique bridge between nuclear and atomic physics, enabling applications such as nuclear clocks and precision metrology. However, efficient and controllable production of \textsuperscript{229m}Th remains a major experimental challenge. We propose an efficient scheme to produce the $$^{229\mathrm{m}}$$Th in storage rings (SRs) and electron beam ion traps (EBITs), using a cascade decay pathway. Highly charged ions are excited to higher nuclear states via nuclear excitation by inelastic electron scattering (NEIES) and nuclear excitation by electron capture (NEEC), followed by radiative or internal conversion cascades that populate the isomer. Our calculations demonstrate that, under typical SRs and EBITs conditions, optimized indirect excitation pathways significantly enhance \textsuperscript{229m}Th production rate. In particular, NEIES can provide an enhancement of up to four orders of magnitude through cascade de-excitation at high energies, while NEEC can contribute an additional enhancement of up to several tens of times. Such a significant increase in the \textsuperscript{229m}Th yield rate would facilitate its application in various nuclear photonics fields, especially in the development of atomic nuclear clocks.
Энергия изомерного состояния тория-229 всего около 8 электрон-вольт — это меньше, чем энергия фотона видимого света. Для сравнения, типичные ядерные переходы требуют миллионов электрон-вольт. Поэтому изомер можно возбуждать лазером, как обычный атом.
Идея часов на основе ядерного перехода отсылает к «атомным хронометрам» из научной фантастики, которые сохраняют точность даже в глубоком космосе, где обычные часы сбиваются.