في خطوة متقدمة نحو تحسين قياس الزمن بدقة غير مسبوقة، يعمل العلماء على تطوير ساعات نووية بصرية تعتمد على الحالة المثارة الأولى لنظير الثوريوم 229Th. من خلال هذا التطور، يُمكن تحقيق دقة أعلى بكثير من الساعات الذرية التقليدية، مما يفتح الباب لتطبيقات جديدة مثل أجهزة استشعار الجاذبية الدقيقة وتقنيات أنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS).

الساعات الذرية والنووية

تُعتبر الساعات الذرية معيارًا في قياس الوقت بدقة عالية، حيث تعتمد على التذبذبات الطبيعية للإلكترونات داخل الذرات، بطريقة مشابهة لآلية عمل البندول في الساعات التقليدية. ولكن السعي نحو تحقيق دقة أكبر قاد العلماء إلى تطوير الساعات النووية، التي تعتمد على التحولات داخل نوى الذرات لقياس الزمن بدقة تفوق الساعات الذرية.

التطورات في تكنولوجيا الساعات النووية

إحدى الابتكارات الواعدة في تطوير الساعات النووية هي استخدام الحالة المثارة الأولى لنظير الثوريوم 229Th. يتميز هذا النظير بعمر نصف يبلغ 103 ثوانٍ وطاقة إثارة منخفضة تبلغ بضعة إلكترون فولت، مما يجعله مثاليًا للإثارة بواسطة أشعة الليزر فوق البنفسجية (VUV). يمكن لهذه الساعات النووية أن تُستخدم في أجهزة القياس المدمجة وفي أبحاث الفيزياء الأساسية.

لفهم تطبيقات النظير 229Th بشكل أفضل، من الضروري دراسة خصائصه الأساسية مثل طاقة الحالة المثارة، عمر النصف، وديناميكيات الإثارة والانحلال بتفصيل.

دراسة إنتاج وتحلل النظير 229Th لتطوير ساعات نووية فائقة الدقة

أظهرت الدراسات الحديثة التحكم في عملية الانحلال الإشعاعي للحالة المثارة للنظير 229Th، مما يوفر رؤى جديدة حول الثوابت الفيزيائية وألغاز الكون مثل الطاقة المظلمة. في التجارب التي أُجريت، تم حقن بلورات من فلوريد الكالسيوم الشفافة للأشعة فوق البنفسجية (CaF2) بنظير 229Th، حيث تم استخدام أشعة سينية للتحكم في الحالة المثارة للنظير.

التطورات التجريبية في الساعات النووية

تحت إشراف البروفيسور المساعد تاكاهيرو هيراكي من جامعة أوكاياما في اليابان، نجح فريقه في إنشاء نظام تجريبي لتقييم حالة النظير 229Th ورصد عملية تحلله الإشعاعي. أظهرت الدراسة، التي نُشرت في مجلة Nature Communications، أن البلورات المحقونة بالنظير 229Th تمكنت من التحكم في الحالة المثارة للنظير باستخدام أشعة سينية.

يقول البروفيسور هيراكي: "يعمل فريقنا على الفيزياء الأساسية باستخدام الذرات وأشعة الليزر. ولتحقيق ساعة نووية تعتمد على 229Th، يجب التحكم في حالة الإثارة والانحلال للنواة. وفي هذه الدراسة، نجحنا في تحقيق ذلك باستخدام الأشعة السينية، مما يقربنا خطوة من تحقيق ساعة نووية".

التطبيقات المستقبلية والآفاق

أحد أهم النتائج التي توصل إليها الباحثون هو تسريع عملية التحلل الإشعاعي للحالة المثارة عند تعرضها للأشعة السينية، وهو ما يُعرف بتأثير "إخماد الأشعة السينية"، مما يتيح التحكم في إلغاء الإثارة عند الحاجة، يؤمن الباحثون بأن هذا التحكم يمكن أن يُحدث تقدمًا كبيرًا في تطوير الساعات النووية، إلى جانب التطبيقات الأخرى المحتملة مثل أجهزة استشعار الجاذبية المحمولة وأنظمة تحديد المواقع ذات الدقة العالية.

يُضيف البروفيسور هيراكي: "عندما يتم الانتهاء من تطوير الساعة النووية، ستتيح لنا اختبار ما إذا كانت الثوابت الفيزيائية، مثل ثابت البناء الدقيق، الذي كان يُعتقد سابقًا أنه لا يتغير، قد يختلف بمرور الزمن. وإذا تم رصد هذا التغير، فقد يقودنا إلى فهم أعمق للطاقة المظلمة، إحدى أعظم ألغاز الكون".