Ф.Ф. Карпешин, Л.Ф. Витушкин
ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», Санкт-Петербург, Россия;
fkarpeshin@gmail.com
«Альманах современной метрологии» № 2 (38) 2024, стр. 19–29
УДК 53.083.2
Аннотация. Наиболее вероятным кандидатом на роль ядерно-оптического стандарта является 8.338 эВ изомер ядерного изотопа 229mTh. Обсуждается возможность уточнения его энергии методом двухфотонной резонансной оптической накачки. Решающее значение имеет надлежащее использование естественной ширины атомных линий, которые на порядки величины превосходят естественную ширину ядерной изомерной линии. В современном state-of-the-art-проекте уширение за счёт внутренней конверсии в нейтральных атомах тория приводит к выигрышу во времени сканирования на девять порядков величины, облегчая поиск электрон-ядерного резонанса до практически осуществимого уровня. Предлагаемый в настоящей статье двухфотонный метод резонансной конверсии применим как в ионизованных, так и в нейтральных атомах тория. Он обладает ещё большим потенциалом: в рассмотренном примере атомный резонанс на 7p3/2-уровне обладает на три порядка большей шириной по сравнению с конверсионной линией. Реализация предложенного метода требует одновременного возбуждения ядра и электронной оболочки в конечном состоянии с высокой добротностью. Широкое применение разнообразной физики рассмотренных процессов предопределит революционный скачок в развитии новых лазерно-ядерных технологий.
Ключевые слова: изомер 229mTh, ядерно-оптические часы, стандарт частоты.
Цитируемая литература
1. Peik E., Okhapkin M. Nuclear clocks based on resonant excitation of γ-transitions // Comptes Rendus Physique. — 2015. — V. 16. — № 5. — P. 516–523.
2. Kraemer S., Moens J., Athanasakis-Kaklamanakis M. et al. Observation of the radiative decay of the 229Th nuclear clock isomer // Nature. — 2023. — V. 617. — P. 706–710.
3. Wense L. von der, Seiferle B., Laatiaoui M. et al. Direct detection of the 229Th nuclear clock transition // Nature. — 2016. — V. 533. — P. 47–51.
4. Зарецкий Д.Ф., Карпешин Ф.Ф. Мезорентгеновское излучение осколков мгновенного деления // Ядерная физика. — 1979. — Т. 29. — C. 306.
5. Зон Б.А., Карпешин Ф.Ф. Ускорение распада ядра 235U за счёт резонансной внутренней конверсии, стимулированной лазерным излучением // ЖЭТФ. — 1990. — T. 97. — № 2. — C. 401–408.
6. Krutov V.A., Fomenko V.N. Influence of electronic shell on gamma radiation of atomic nuclei // Annalen der Physik. — 1968. — V. 21. — P. 291–302; Крутов В.А. Внутренняя конверсия в поле «электронного мостика» // Письма в ЖЭТФ. — 1990. — T. 52. — № 11. — C. 1176–1179.
7. Витушкин Л.Ф., Михайлов А.И. Двухфотонная ионизация атома фотонами из разных пучков // Оптика и спектроскопия. — 1981. — T. 50. — C. 11–22.
8. Гречухин Д.П., Солдатов А.А. Конверсионный Е3-переход с изомерного уровня 235mU (73 эВ) // Ядерная физика. — 1976. — T. 23. — C. 273–282.
9. Kekez D. et al. Nuclear deexcitation via the electronic-bridge mechanism // Physical Review Letters. — 1985. — V. 55. — № 13. — P. 1366–1368. — DOI: 10.1103/ PhysRevLett.55.1366.
10. Roesel C., Karpeshin F.F., David P. et al. Experimental evidence for muonic X-rays from fission fragments // Zeitschrift fur Physics A. — 1993. — V. 345. — P. 425.
11. Karpeshin F.F., Harston M.R., Attallah F. et al. Subthreshold internal conversion to bound states in highly-ionized 125Te ions // Physical Review C. — 1996. — V. 53. — P. 1640.
12. Ткаля Е.В. Возбуждение низколежащего изомерного уровня ядра 229Th оптическими фотонами // Письма в ЖЭТФ. — 1992. — T. 55. — C. 216–218; Tkalya E.V. Nuclear excitation in atomic transitions (NEET process analysis) // Nuclear Physics A. — 1992. — V. 539. — P. 209.
13. Morita M. Nuclear excitation by electron transition and its application to uranium-235 separation // Progress of Theoretical Physics. — 1973. — V. 49. — № 5. — 1574–1586.
14. Borisyuk P.V. et al. Excitation of the low-energy 229mTh isomer in the electron bridge process via the continuum // Physical Review C. — 2019. — V. 100. — № 4. — 044306.
15. Dzublik A.Ya. Quasiclassical theory of 229mTh excitation by laser pulses via electron bridges // Physical Review C. — 2022. — V. 106. — № 6. — 064608.
16. Karpeshin F.F., Band I.M., Trzhaskovskaya M.B., Listengarten M.A. Optical pumping 229mTh through NEET as a new effective way of producing nuclear isomers // Physics Letters B. — 1996. — V. 372. — № 1–2. — P. 1–7.
17. Inamura T.T., Haba H. Search for a “3.5-eV isomer” in 229Th in a hollow-cathode electric discharge // Physical Review C. — 2009. — V. 79. — № 3. — 034313. — DOI: 10.1103/PhysRevC.79.034313.
18. Karpeshin F.F., Band I.M., Trzhaskovskaya M.B. 3.5-eV isomer of 229mTh: how it can be produced // Nuclear Physics A. — 1999. — V. 654. — № 3–4. — P. 579–596.
19. Wense L. von der, Zhang C. Concepts for direct frequency-comb spectroscopy of 229mTh and an internal-conversion-based solid-state nuclear clock // The European Physical Journal. Ser. D. — 2020. — V. 74. — Article number 146. — DOI: https://doi.org/ 10.1140/epjd/e2020-100582-5.
20. Витушкин Л.Ф., Гусев Ю.И., Карпешин Ф.Ф., Новиков Ю.А., Орлов О.А. и др. Два механизма возбуждения ядра тория 229Th лазером как пролог к созданию ядерно-оптических часов // Законодательная и прикладная метрология. — 2022. — № 3. — С. 9–13.
21. Karpeshin F.F., Wycech S., Band I.M., Trzhaskovskaya M.B., Pfuetzner M., Zylicz J. Rates of transitions between the hyperfine-splitting components of the ground-state and the 3.5 eV isomer in 229Th89+ // Physical Review C. — 1998. — V. 57. — № 6. — P. 3085.
22. Band I.M., Trzhaskovskaya M.B. Internal conversion coefficients for low-energy nuclear transitions // Atomic Data and Nuclear Data Tables. — 1993. — V. 55. — P. 43–61.
23. Haowei Xu, Hao Tang, Guoqing Wang, Changhao Li, Boning Li, Paola Cappellaro and Ju Li. 229mTh Solid-state 229Th nuclear laser with two-photon pumping // Physical Review A. — 2023. — V. 108. — № 2. — L021502.
Статья поступила в редакцию: 07.02.2024 г.
Статья прошла рецензирование: 19.12.2023 г.
Статья принята в работу: 14.05.2024 г.
Полные тексты статей доступны в печатных номерах журнала по подписке и при покупке отдельных номеров у издателя.
Также полные тексты статей размещаются в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.