Відкрито метастабільний стан ядра торію, яке може бути використано для створення надточних ядерних годин.
Вся історія людської цивілізації пов'язана з поліпшенням вимірювання часу, підвищенням точності годин. Без цього неможливий розвиток науки і техніки. Найточніші сучасні годинники називають атомними, оскільки вони використовують різність енергій між квантовими станами електрону в атомі. Вона визначає частоту випромінювання атома при переході електрона з одного стану в інший, яка за допомогою електроніки легко перетворюється на сигнал часу. Керування переходами залежно від енергії здійснюється мікрохвильовим або лазерним випромінюванням. Для створення таких годин підходять не всі атоми, а тільки ті, що малочутливі до різних зовнішніх впливів. У найбільш поширених пристроях використовують цезій.
Сучасний атомний годинник, що працює, наприклад, у системі GPS, забезпечує фантастичну точність вимірювання часу: їх помилка становить лише одну секунду за 100 мільйонів років. Вже існують експериментальні зразки годинників з рекордною похибкою в одну секунду за 20 мільярдів років, що перевищує час життя Всесвіту. Але немає межі досконалості. Вчені мріють про ще більш точні ядерні годинники, що використовують різність енергій між квантовими станами ядер атомів. Такий годинник буде ще менш чутливий до обурень зовнішнього середовища, а їх точність збільшиться в десять разів. З іншого боку, різність енергій між квантовими рівнями ядра значно більша, ніж для електронів, що призводить до більших частот випромінювання і можливості вимірювати все менші проміжки часу (збільшується частота «тікання» годин)
Крім звичних сфер застосування такі години можна буде використовувати для дослідження квантових кореляцій атомів і частинок, а також пошуку змін фундаментальних констант, таких як постійна тонкої структури або параметри зв'язку квантової хромодинаміки.
Однак, як і у випадку з атомами, для цієї мети годяться не всі ядра. У 2003 році на цю роль було запропоновано ядро торію 229 (^-229). За наявними даними воно повинно було володіти унікальною особливістю - найнижчим метастабільним рівнем порушеного стану по відношенню до основного стану (різниця повинна становити кілька електронвольт). Таким переходом між станами можна керувати за допомогою лазерного випромінювання. Саме наявність метастабільного стану ядра (ізомера) з потрібними параметрами, в якому воно може існувати досить тривалий час, теж сприятливо для створення годин. Під час запису ізомери позначаються букою m (від англійської metastable). Тепер фізикам належало виявити передбачений ізомер торію Th-229m і визначити його енергію і час життя.
Завдання виявилося важким, оскільки торій радіоактивний і не існує в природі, оскільки швидко розпадається. Про її рішення повідомили дослідники з Німеччини в статті, опублікованій в останньому номері журналу Nature. Їм вперше вдалося виявити ізомер Th-229m, що виникає при поділі урану 233, і оцінити його параметри. Зокрема, вони встановили, що період напіврозпаду Th-229m перевищує одну хвилину, що робить можливим його використання для створення ядерного годинника. Щоб підкреслити значимість досягнення, варто вказати, що в цілому пошук цього ізомера зайняв близько 40 років.
Зроблене відкриття лише перший крок до створення ядерного годинника. Фізикам ще належить уточнення параметрів ізомера, розробка технології вимірювання часу. Для управління переходами між станами ядра потрібно створити потужний лазер, що працює в дальньому ультрафіолетовому діапазоні (довжина хвилі коротше 200 нанометрів), що само по собі уявляє складне завдання. Для розробки ядерного годинника Євросоюзом створено міжнародний проект nuClock, в рамках якого виконано і дане дослідження.
За матеріалами Університету Людвіга-Максиміліана