Fysiker vid UCLA har utvecklat en enkel metod för att skapa ultrakänsliga kärnklockor med minimala mängder sällsynt torium, genom att låna en teknik från smyckestillverkning. Genom att elektroplätera torium på stål uppnådde teamet resultat jämförbara med år av komplex kristalltillverkning men med 1 000 gånger mindre material. Detta framsteg kan möjliggöra pålitlig tidhållning i GPS-fria miljöer som djuprymd och ubåtar.
I fjol markerade ett UCLA-lett team slutet på en halvsekelsk lång jakt genom att framgångsrikt styra absorption och frisättning av fotoner från radioaktiva torium-229-kärnor, en milstolpe som först föreslogs 2008. Detta genombrott banar väg för kärnklockor långt mer exakta än atomklockor, med potential att revolutionera navigation, kommunikation och tester av fundamentala fysikkonstanter. Torium-229:s brist — begränsat till cirka 40 gram globalt från vapenklassat uran — utgjorde dock ett stort hinder. Traditionella experiment byggde på torium-dopade fluoridkristaller, som tog 15 år att utveckla och krävde minst 1 milligram torium per sats. «Kristallerna är verkligen svåra att tillverka. Det tar evigheter och den minsta mängd torium vi kan använda är 1 milligram, vilket är mycket när det bara finns 40 gram tillgängligt», sade UCLA:s postdoktor Ricky Elwell, förstaförfattare till det tidigare arbetet. I en ny studie publicerad i Nature övervann Eric Hudsons internationella team detta genom att elektroplätera ett tunt lager torium på rostfritt stål, en 1800-tals teknik för att belägga metaller som guld på basmaterial. Metoden använder en tusendel så mycket torium och ger en hållbar produkt. «Det tog oss fem år att lista ut hur man odlar fluoridkristallerna och nu har vi kommit på hur man får samma resultat med en av de äldsta industriella teknikerna och med 1 000 gånger mindre torium», förklarade Hudson. Den centrala insikten utmanade en grundläggande antagande: toriumkärnor kan exciteras i ogenomskinliga material, med emissioner detekterade som elektroner via elektrisk ström snarare än fotoner genom transparens. «Alla hade alltid antagit att torium behövde vara inbäddat i ett material transparent för ljus för att excitera och observera kärnövergången... I detta arbete visade vi att det helt enkelt inte stämmer», noterade Hudson. Sådana klockor kunde förbättra elnät, mobilnät och GPS-satelliter, samt ge GPS-oberoende navigation för ubåtar — där nuvarande atomklockor driver, vilket kräver uppdykning — och djuprymdsmissioner. «Toriumkärnklockor kunde också revolutionera mätningar inom grundläggande fysik... och kan vara användbara för att upprätta en tids-skala över solsystemet», sade Eric Burt vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory. Makan Mohageg vid Boeing tillade att metoden kunde sänka kostnader för kompakt, stabil tidhållning i rymdteknik. Forskningen, finansierad av National Science Foundation, involverade samarbetspartners från University of Manchester, University of Nevada Reno, Los Alamos National Laboratory och europeiska institutioner.
