ترفند قدیمی جواهرسازی برای تحول دقت زمان سنجی هسته ای
رکنا: سال گذشته، پژوهشگرانی به سرپرستی دانشگاه UCLA به دستاوردی رسیدند که فیزیکدانان نیم قرن به دنبال آن بودند.
به گزارش گروه ترجمه رکنا به نقل از ساینس دیلی، آنها موفق شدند هستههای رادیواکتیو توریم را به گونهای کنترل شده وادار به جذب و انتشار فوتون کنند، مشابه رفتاری که الکترونها در اتمها دارند. این ایده ابتدا در سال ۲۰۰۸ توسط همان تیم مطرح شد و اجرایی شدن آن قرار است درهای نسل جدید ساعتهای فوقالعاده دقیق را باز کند. این پیشرفتها میتوانند سیستمهای ناوبری را بهطور چشمگیری بهبود بخشیده و حتی به دانشمندان در بررسی تغییرات احتمالی برخی ثابتهای بنیادی طبیعت در طول زمان کمک کنند.
با وجود این موفقیت، یک محدودیت جدی باقی مانده بود. ایزوتوپ مورد نیاز برای ساعتهای هستهای، توریم-۲۲۹، تنها در اورانیوم با درجه تسلیحاتی یافت میشود. در نتیجه، دانشمندان برآورد کردهاند که تنها حدود ۴۰ گرم از این ماده در سراسر جهان برای تحقیقات ساعتهای هستهای موجود است و به همین دلیل، بهینهسازی مصرف آن یک چالش اساسی محسوب میشود.
راهحل سادهتر با مصرف بسیار کمتر توریم
یک همکاری بینالمللی به رهبری فیزیکدان UCLA، اریک هادسون، اکنون راهی برای عبور از این محدودیت یافته است. این تیم نشان داده که میتوان نتایج پیشین خود را با استفاده از تنها کسری از توریم مورد نیاز قبلی بازتولید کرد. روش جدید آنها که در مجله Nature منتشر شده، ساده و کمهزینه است و این امکان را فراهم میکند که روزی ساعتهای هستهای کوچک و مقرونبهصرفه شده و برای استفاده گسترده در دسترس قرار گیرند.
اگر چنین اتفاقی رخ دهد، این ساعتها میتوانند فراتر از آزمایشگاهها حرکت کرده و سیستمهای زمانی شبکه برق، برجهای مخابراتی و ماهوارههای GPS را جایگزین کنند. حتی ممکن است به اندازهای کوچک شوند که در تلفن همراه یا ساعتهای مچی جای گیرند. این فناوری میتواند امکان ناوبری در مکانهایی که سیگنال GPS نمیرسد، از جمله فضاهای دوردست و محیطهای زیرآبی مانند زیردریاییها را فراهم کند.
پانزده سال کار با یک تکنیک ساده جایگزین شد
تیم هادسون ۱۵ سال برای توسعه کریستالهای فلوراید ویژهای که با توریم دوپ شده بودند و موفقیت اولیه آنها را ممکن ساخت، زمان صرف کرد. در آن آزمایشها، اتمهای توریم-۲۲۹ با فلورین در ساختاری مهندسی شده ترکیب شدند. کریستالهای حاصل توریم را تثبیت کرده و در عین حال نسبت به نور لیزر مورد نیاز برای تحریک هسته شفاف باقی میماندند. با این حال، فرآیند ساخت کریستالها بسیار دشوار بود و تولید آنها نیاز به مقادیر نسبتاً زیادی توریم داشت.
الول، پژوهشگر پسادکتری UCLA و نویسنده اول مقاله، گفت: «ما همه کارهای ساخت کریستالها را انجام دادیم زیرا فکر میکردیم کریستال باید شفاف باشد تا نور لیزر به هستههای توریم برسد. کریستالها واقعاً چالشبرانگیز هستند. ساخت آنها زمانبر است و کمترین مقدار توریمی که میتوانیم استفاده کنیم، یک میلیگرم است که وقتی تنها حدود ۴۰ گرم در دسترس است، مقدار زیادی است.»
استفاده از روشی از جواهرسازی
در مطالعه جدید، پژوهشگران رویکرد بسیار متفاوتی اتخاذ کردند. آنها یک لایه فوقالعاده نازک از توریم را روی فولاد ضدزنگ با استفاده از روش آبکاری الکتریکی قرار دادند، تکنیکی که معمولاً در جواهرسازی به کار میرود. آبکاری الکتریکی، که در اوایل قرن نوزدهم توسعه یافت، مبتنی بر جریان برق است تا اتمهای فلز را از طریق یک محلول هادی منتقل کرده و سطحی را با فلز دیگری پوشش دهد.
هادسون گفت: «پنج سال طول کشید تا بفهمیم چگونه کریستالهای فلوراید را رشد دهیم و اکنون راهی پیدا کردهایم که همان نتایج را با یکی از قدیمیترین تکنیکهای صنعتی و با مصرف هزار برابر کمتر توریم به دست آوریم. علاوه بر این، محصول نهایی در واقع یک قطعه کوچک فولاد است و بسیار مقاومتر از کریستالهای شکننده است.»
بازاندیشی در نحوه تحریک هسته
موفقیت سیستم جدید از این واقعیت ناشی شد که فرضیهای قدیمی نادرست بود. دانشمندان معتقد بودند که توریم باید در مادهای شفاف جاسازی شود تا نور لیزر بتواند هسته را تحریک کند. تیم UCLA دریافت که تحریک هسته به میزان کافی برای مشاهده گذار انرژی، بسیار آسانتر از آنچه پیشتر تصور میشد، است.
هادسون گفت: «همیشه تصور میشد برای تحریک و مشاهده گذار هسته، توریم باید در مادهای شفاف نسبت به نور مورد استفاده جاسازی شود. ما نشان دادیم این درست نیست. هنوز میتوانیم نور کافی را به این مواد کدر وارد کنیم تا هستههای نزدیک سطح تحریک شوند و سپس، به جای انتشار فوتونها مانند کریستالهای شفاف، الکترون منتشر میکنند که میتوان با پایش جریان الکتریکی آنها را به سادگی تشخیص داد – کاری که در آزمایشگاه بسیار آسان است.»
چرا ساعتهای هستهای فراتر از آزمایشگاه اهمیت دارند
علاوه بر بهبود شبکههای ارتباطی، رادار و هماهنگی شبکه برق، ساعتهای فوق دقیق میتوانند مشکل بزرگی در امنیت ملی را حل کنند: ناوبری بدون GPS. اگر سیگنال ماهوارهای دچار اختلال شود، مانند حمله خرابکارانه یا طوفان الکترومغناطیسی، ناوبری مبتنی بر GPS با شکست مواجه خواهد شد. زیردریاییها هم اکنون از ساعتهای اتمی استفاده میکنند، اما ساعتهای موجود با گذر زمان انحراف پیدا میکنند و مجبور به بالا آمدن برای تأیید موقعیت میشوند.
ساعتهای هستهای نسبت به اختلالات محیطی حساسیت بسیار کمتری دارند و به همین دلیل در شرایطی که دقت باید برای مدت طولانی بدون سیگنال خارجی حفظ شود، بسیار ارزشمند هستند.
این نوآوریها میتواند هزینه و پیچیدگی ساعتهای هستهای مبتنی بر توریم را کاهش دهد و به تولید ساعتهای کوچکتر و با پایداری بالا کمک کند، به ویژه در کاربردهای هوافضا.
پایهای برای اکتشافات فضایی آینده
ساعتهای دقیقتر همچنین برای سفرهای فضایی طولانی ضروری هستند، زیرا ناوبری و ارتباطات مبتنی بر زمانبندی دقیق انجام میشوند.
توسعه ساعتهای هستهای توریم میتواند حتی اندازهگیریهای بنیادی فیزیک، مانند آزمایش نظریه نسبیت اینشتین را متحول کند و در آینده برای ایجاد مقیاس زمانی در کل منظومه شمسی و برقراری حضور دائمی انسان در سیارات دیگر مفید باشد.
همکاری پژوهشی و بودجه
این تحقیق با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا انجام شد و شامل فیزیکدانانی از دانشگاه منچستر، دانشگاه نوادا رینو، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، زایگلر آنالیتیکس، دانشگاه یوهان گوتنبرگ ماینتس و دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ بود.
ارسال نظر