परिचय
अधिक अचूक वेळ मोजण्याच्या सततच्या शोधात, सायन्स (खंड ३९३, अंक ६८१३, पृष्ठे ७९५–७९९, ऑगस्ट २०२६) मध्ये प्रकाशित झालेल्या एका नवीन अभ्यासात कॅल्शियम फ्लोराइड (CaF₂) मध्ये एम्बेड केलेल्या थोरियम-२२९ (²²⁹Th) ची लेसर मॉसबॉअर स्पेक्ट्रोस्कोपी नोंदवली आहे. संपूर्ण तांत्रिक तपशील पेवॉलच्या मागे असले तरी, शीर्षकच आण्विक घड्याळांच्या क्षेत्रासाठी एक महत्त्वपूर्ण पाऊल दर्शवते, ज्याचे उद्दिष्ट इलेक्ट्रॉन कक्षांचा वापर करण्याऐवजी एक विदेशी आण्विक संक्रमण वापरून आजच्या सर्वोत्तम अणु घड्याळांपेक्षा अधिक चांगले कार्य करणे आहे.
भौतिकशास्त्रज्ञांच्या एका पथकाने लिहिलेल्या या पेपरमध्ये, एक स्फटिकासारखे यजमान साहित्य—कॅल्शियम फ्लोराइड—लेसर उत्तेजनाखाली थोरियम-२२९ केंद्रकांच्या वर्तनावर कसा परिणाम करते याचा शोध घेतला आहे. हे केवळ शैक्षणिक उत्सुकतेचे नाही; ²²⁹Th चे अद्वितीय गुणधर्म त्याला पुढील पिढीच्या वेळ मोजण्याच्या उपकरणासाठी प्रमुख उमेदवार बनवतात जे सेकंदाची पुन्हा व्याख्या करू शकते आणि मूलभूत भौतिकशास्त्राच्या नवीन चाचण्या सक्षम करू शकते.
थोरियम-२२९ चे आश्वासन
थोरियम-२२९ हा एक दुर्मिळ समस्थानिक आहे ज्याने अचूक मापन शास्त्रज्ञांचे लक्ष वेधले आहे कारण त्याच्या केंद्रकात एक अत्यंत कमी-ऊर्जा उत्तेजित अवस्था आहे, ज्याला आयसोमेरिक अवस्था म्हणतात. ग्राउंड स्टेट आणि या आयसोमरमधील ऊर्जा फरक इतका लहान आहे की तो इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक स्पेक्ट्रमच्या व्हॅक्यूम-अल्ट्राव्हायोलेट (VUV) प्रदेशात येतो—म्हणजे तो लेसरद्वारे उत्तेजित केला जाऊ शकतो. इतर कोणत्याही केंद्रकात असे संक्रमण नाही, ज्यामुळे ²²⁹Th आण्विक घड्याळ विकासासाठी अद्वितीयपणे योग्य आहे.
आण्विक घड्याळात, 'टिकिंग' हे केंद्रकाला या दोन अवस्थांमध्ये बदलण्यासाठी आवश्यक प्रकाशाच्या वारंवारतेवर आधारित असेल. कारण आण्विक ऊर्जा पातळी बाह्य गडबडींसाठी (जसे की चुंबकीय क्षेत्र किंवा तापमान बदल) अणु इलेक्ट्रॉन पातळींपेक्षा खूपच कमी संवेदनशील असतात, आण्विक घड्याळ सध्याच्या अणु घड्याळांपेक्षा लक्षणीयरीत्या अधिक स्थिर आणि अचूक असू शकते. अशी घड्याळे केवळ वेळ ठेवण्याबद्दल नाहीत; ते मूलभूत स्थिरांकांमधील संभाव्य बदल, गडद पदार्थ परस्परक्रिया आणि स्टँडर्ड मॉडेलच्या पलीकडील इतर भौतिकशास्त्रासाठी संवेदनशील डिटेक्टर आहेत.
मॉसबॉअर स्पेक्ट्रोस्कोपी: केंद्रकाकडे एक पूल
थोरियम-२२९ आण्विक संक्रमणाची तपासणी करण्यासाठी, संशोधक मॉसबॉअर स्पेक्ट्रोस्कोपीकडे वळतात, हे एक शक्तिशाली तंत्र जे १९५० च्या दशकात प्रथम शोधले गेले. पारंपारिक मॉसबॉअर स्पेक्ट्रोस्कोपी घन पदार्थांमध्ये गॅमा किरणांचे रिकॉइल-मुक्त उत्सर्जन आणि शोषण मोजते. जेव्हा केंद्रक गॅमा-रे फोटॉन उत्सर्जित करते किंवा शोषून घेते, तेव्हा रिकॉइल ऊर्जा अनुनाद अस्पष्ट करू शकते जोपर्यंत अणू स्फटिक जाळीमध्ये घट्ट बांधलेला नसतो, ज्यामुळे गती संपूर्ण स्फटिकाद्वारे घेतली जाऊ शकते. ही घटना अत्यंत तीक्ष्ण अनुनाद रेषा सक्षम करते, जी लहान ऊर्जा शिफ्ट्सचा अभ्यास करण्यासाठी उपयुक्त आहे.
लेसर मॉसबॉअर स्पेक्ट्रोस्कोपी किरणोत्सर्गी स्त्रोतावर अवलंबून राहण्याऐवजी आण्विक संक्रमण थेट चालविण्यासाठी लेसर वापरून हा दृष्टिकोन सुधारते. ²²⁹Th च्या संदर्भात, संक्रमण ऊर्जा VUV श्रेणीत आहे, जी लेसर तंत्रज्ञान आणि योग्य स्फटिकांमध्ये थोरियम आयन एम्बेड करण्याच्या भौतिकशास्त्राला आव्हान देते. कॅल्शियम फ्लोराइडची निवड विशेषतः मनोरंजक आहे कारण ते एक पारदर्शक, वाइड-बँड-गॅप यजमान प्रदान करते जे थोरियम आयन सामावून घेऊ शकते आणि आण्विक ऊर्जा पातळींमधील गडबड कमी करते.
यजमान स्फटिक म्हणून कॅल्शियम फ्लोराइड
CaF₂ का? कॅल्शियम फ्लोराइड हे एक सुप्रसिद्ध ऑप्टिकल साहित्य आहे ज्यामध्ये इन्फ्रारेडपासून VUV पर्यंत उच्च पारदर्शकता आहे. त्याची घन फ्लोराइट रचना आहे, जी लिथोग्राफी आणि स्पेक्ट्रोस्कोपीमध्ये त्याच्या अनुकूल यांत्रिक आणि ऑप्टिकल गुणधर्मांमुळे वापरली जाते. आण्विक घड्याळ अनुप्रयोगांसाठी, यजमान स्फटिकाने स्फटिक क्षेत्र विषमता किंवा दोष साइट्समुळे जास्त रेषा रुंदी आणू नये. ²²⁹Th आयन कॅल्शियम आयनांची जागा घेतात, परंतु आयनिक त्रिज्या आणि व्हॅलेन्समधील जुळणीमुळे काळजीपूर्वक चार्ज भरपाई आवश्यक आहे. सायन्स मध्ये नोंदवलेला अभ्यास कदाचित CaF₂ आण्विक अनुनादाची तीक्ष्णता टिकवू शकतो का—घड्याळाच्या कार्यक्षमतेसाठी एक निर्णायक घटक—हे तपासतो.
थोरियम-डोप केलेल्या स्फटिकांसह (जसे की LiSrAlF₆) पूर्वीच्या कामात असे दिसून आले आहे की अंतर्गत वातावरण आण्विक संक्रमण वारंवारता बदलू शकते आणि रुंद करू शकते. CaF₂ एक वेगळी सममिती आणि बंधन वातावरण देते, संभाव्यतः यापैकी काही प्रभाव कमी करते. जर मॉसबॉअर स्पेक्ट्रम अरुंद रेषा दर्शवित असेल, तर ते दर्शवेल की कॅल्शियम फ्लोराइड भविष्यातील आण्विक घड्याळ सॉलिड-स्टेट उपकरणांसाठी एक व्यवहार्य यजमान आहे.
आण्विक घड्याळ तंत्रज्ञानासाठी परिणाम
या अभ्यासाचे परिणाम सॉलिड-स्टेट आण्विक घड्याळाच्या विकासास गती देऊ शकतात. एक कार्यरत आण्विक घड्याळ हे एक कॉम्पॅक्ट, मजबूत साधन असेल ज्याचे अनुप्रयोग जिओडेसी (पृथ्वीचा आकार आणि गुरुत्वाकर्षण मोजणे) पासून खोल-अंतराळ नेव्हिगेशन आणि मूलभूत भौतिकशास्त्र तपासणीपर्यंत आहेत. व्हॅक्यूम चेंबर आणि अनेक लेसर-कूल्ड अणू आवश्यक असलेल्या अणु घड्याळांच्या विपरीत, आण्विक घड्याळ टेबलटॉप VUV लेसर प्रणालीद्वारे उत्तेजित थोरियम आयनांसह एम्बेड केलेल्या पातळ स्फटिकापासून तयार केले जाऊ शकते.
शिवाय, लेसर-मॉसबॉअर दृष्टिकोन परिपूर्ण संक्रमण ऊर्जा आणि रेषा रुंदी मोजण्याचा थेट मार्ग देते, जे गंभीर पॅरामीटर्स आहेत. आयसोमर ऊर्जेचे मागील अंदाज वर्षानुवर्षे परिष्कृत केले गेले आहेत, परंतु विसंगती कायम आहेत. CaF₂ नमुन्यांचा वापर करून उच्च-परिशुद्धता स्पेक्ट्रोस्कोपी या विसंगती सोडवू शकते आणि भविष्यातील घड्याळ वारंवारता मानकांसाठी एक भक्कम अँकर प्रदान करू शकते.
व्यापक वैज्ञानिक प्रभाव
वेळ मोजण्याव्यतिरिक्त, केंद्रक आणि त्याच्या सभोवतालच्या स्फटिक जाळीमधील परस्परक्रिया हे स्वतःच एक समृद्ध क्षेत्र आहे. लेसर मॉसबॉअर स्पेक्ट्रोस्कोपी फोनॉन (जाळी कंपने) आण्विक संक्रमणांशी कसे जोडतात आणि रासायनिक बंधन आण्विक पॅरामीटर्सवर कसा परिणाम करते हे प्रकट करू शकते. या मूलभूत संशोधनाचे साहित्य विज्ञान, रसायनशास्त्र आणि आण्विक भौतिकशास्त्रासाठी परिणाम आहेत. ²²⁹Th चे सॉलिड-स्टेट वातावरण समजून घेणे आण्विक बॅटरी किंवा आण्विक क्विबिट्स वापरून क्वांटम माहिती प्रक्रिया यासारख्या प्रस्तावित अनुप्रयोगांसाठी देखील महत्त्वपूर्ण आहे, जे दीर्घ सुसंगतता वेळ देऊ शकतात.
2026 मध्ये सायन्स मध्ये प्रकाशन हे वेगाने पुढे जाणाऱ्या क्षेत्रातील आणखी एक मैलाचा दगड आहे. संशोधक लेसर प्रणाली आणि स्फटिक वाढ तंत्र दोन्ही परिष्कृत करत असताना, कार्यरत आण्विक घड्याळाचे स्वप्न प्रत्यक्षात येण्याच्या जवळ जात आहे. हा अभ्यास, स्पेक्ट्रोस्कोपीवर केंद्रित असला तरी, इष्टतम यजमान साहित्य निवडण्यासाठी आणि पुढील पिढीचे प्रयोग डिझाइन करण्यासाठी आवश्यक अनुभवजन्य पाया प्रदान करतो.
निष्कर्ष
थोडक्यात, सायन्स च्या ऑगस्ट २०२६ च्या अंकात दिसणारा CaF₂ मधील ²²⁹Th च्या लेसर मॉसबॉअर स्पेक्ट्रोस्कोपीवरील नवीन अहवाल आण्विक घड्याळांच्या दिशेने स्थिर प्रगती अधोरेखित करतो. संपूर्ण डेटासेट अद्याप सार्वजनिक नसला तरी, अशा मोजमापाचे अस्तित्व दर्शवते की क्षेत्र वेगाने प्रगती करत आहे. प्रत्येक पाऊल—नवीन स्फटिक, चांगले लेसर, उच्च रिझोल्यूशन—सह, वैज्ञानिक समुदाय निसर्गाच्या दुर्मिळ आणि सर्वात मौल्यवान संसाधनांपैकी एक: थोरियम-२२९ चे निषिद्ध आण्विक संक्रमण वापरण्याच्या जवळ जात आहे. हे कार्य केवळ वेळ मोजण्यासाठीच नव्हे तर अणु केंद्रकाच्या भौतिकशास्त्रात आणि आपल्या विश्वावर नियंत्रण ठेवणाऱ्या मूलभूत नियमांमध्ये एक नवीन खिडकी उघडण्याचे आश्वासन देते.
हा लेख सायन्स (AAAS) च्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.
Originally published on science.org