Thorium 229 핵은 자연에서 가장 작은 여기 상태 (라이브 바카라 상태)를 갖고 레이저를 사용하여 여기 될 수있는 핵이다 이 특성을 사용하면 초고속 시계 "핵무기"(주 2)를 만들 수 있습니다 이를 사용하면 포지셔닝 시스템 및 지구 학살을 포함한 다양한 응용 분야뿐만 아니라 기본 물리 연구를위한 중요한 플랫폼이 가능합니다
핵은 환경에 덜 취약하기 때문에 고체에 묻힌 경우에도 높은 정확도를 유지할 수 있으며 "고체 핵무기"를 실현할 것으로 예상됩니다 그러나 지금까지 주요 과제는 고체의 라이브 바카라 상태 (지상 상태로 돌아 가기)와 수명을 단축하는 방법 (지상 상태로 돌아가도록 강요)이었습니다
Oknamama University의 Yoshimura Koji 교수 교수로 구성된 공동 연구 그룹, 학제 간 기본 과학 연구소의 요시미 아키히로 부교수, 타카 하이로 (Hiraki Takahiro), 고다 요시 타카 요시 타카 조교수 (Jassi) 핵 과학, Kitao Shinji, Riken Research Institute의 Yamaguchi Atsushi 교수, Shigekawa Yu University의 특별 연구 연구원, Haba Hiromitsu의 특별 연구 연구원, Tamasaku Kenji 팀장, Osaka University의 수석 연구원의 수석 연구원 인 Kasamatsu Yoshitaka의 팀장 인 Tamasaku Kenji 팀장, Tamasaku Kenji 팀 리더, 팀장 Tsuka의 선임 연구원 고급 산업 과학 (AIST) 및 비엔나의 기술 연구소의 Thorsten Schumm 교수대형 싱크로트론 방사선 시설 "Spring-8"(주 3)의 높은 X- 레이를 사용하여, 고체 결정에서 Thorium 229는 라이브 바카라 상태로 흥분되었고, 우리는 지상 상태로 돌아갈 때 빛을 관찰 할 수있었습니다 이때, 우리는 거의 모든 라이브 바카라 상태가 빛을 방출하고 전환하고 수명과 에너지를 측정했음을 확인했습니다 또한, 우리는 X- 선 조사가 라이브 바카라 상태의 수명을 약 10 분의 1으로 단축시킬 수 있음을 발견했습니다 이것은 고체 결정의 라이브 바카라 상태가 외부 제어 될 수 있음을 나타낸다
이러한 결과는 견고한 핵무기의 실현을 향한 큰 진전을 가져올 것으로 예상됩니다 이 연구 결과는 7 월 16 일 오후 6시 (일본 시간)에 영국 Academic Journal "
Nature Communications"
<연구 배경>
《Thorium 229 핵무기》
본질적으로 3,300 종 이상의 원자 핵이 있습니다 이 중, 여기 에너지가 가장 낮은 핵은 Thorium 229 (원자 수 z = 90, 질량 번호 A = 229)입니다 라이브 바카라 상태와지면 상태로 알려진이 상태의 에너지 차이는 84EV(주 4), 레이저가 흥분 할 수있는 에너지 범위에 있습니다 또한, 정상적인 원자 핵은 KEV와 MEV의 여기 에너지를 가지므로, 토륨 229의 라이브 바카라 상태는 매우 독특하다고 말할 수 있습니다
이 고유 한 라이브 바카라 상태의 에너지는 외부 세계의 영향을 쉽게받지 못하고 매우 안정적이므로 참조로 사용되면 높은 정확도가 높은 "핵무기"는 기존 원자 시계를 초과 할 수 있다고 생각됩니다 핵무기는 글로벌 내비게이션 위성 시스템 (GNSS) 및 지각 운동 관찰을 포함하여 측지의 발전을 가능하게 할 것으로 예상된다 또한 기초 과학의 관점에서암흑 물질(주 5)탐험,물리적 상수의 연령 변화(참고 6)
《고체 핵무기》
전통적인 원자 시계에서 고체에 묻힌 원자는 내부 전기장의 영향을 많이 받기 때문에 매우 정확한 시계를 만들기가 어렵습니다 반면에, 핵은 환경에 덜 취약하므로 고체 결정에 묻힐 때에도 높은 정확도를 유지할 수 있습니다 이를 통해 컴팩트하고 운반하기 쉬운 고체 핵무기를 가능하게 할 것으로 예상됩니다 이를 달성하기 위해서는 고체 내에서 Thorium-229 핵의 흥분 및 실행 과정을 알고 제어해야합니다 주요 과제 중 하나 인 레이저 흥분은 최근 독일 실험실에서 달성되었습니다 (jtiedauet al, Phys 목사132, 182501 (2024)) 앞으로, 탈퇴 과정의 설명과 통제가 주요 문제가 될 것입니다
<연구 결과의 내용>
이 연구에서, 큰 싱크로트론 방사선 시설 Spring-8의 X- 레이를 사용하여, 고체 결정에 묻힌 토륨 229의 라이브 바카라 상태가 생성되었고, 이의 확장의 세부 사항이 조사되었고, x- 선복으로 인한 수명 변화가 조사되었고, 새로운 페노 몬 (cheench phenomenon)이 조사되었다
《연구 방법 세부 정보》
이 연구는 "Spring-8"BL19LXU의 고갈 X- 레이를 사용하여 수행되었습니다 도 1에 도시 된 바와 같이, Thorium 229는 지상 상태에서 첫 번째 상태이지만, 약 29 keV의 에너지를 갖는 X- 선으로 조사되면 IT는 두 번째 여기 상태로 전이 된 다음 IT의 절반 이상이 라이브 바카라 상태로 전이된다 전환은핵 공명 산란(주 7)라는 기술을 사용하여 확인하십시오 이 방법은 2019 년에 우리 그룹에 의해 개발되었으며 AIST가 개발 한 X- 선 이번에,이 방법은 라이브 바카라 상태를 생성하기 위해 고체 결정에 묻힌 Thorium-229에 적용되었다 여기에 사용 된 고체 결정은 불소 칼슘입니다 (CAF2)에 포함 된 Thorium-229이며 Institute of Technology Vienna와 공동으로 개발되었습니다 이 고체 결정은 제 2 여기 상태의 에너지에 맞게 조정 된 X- 선으로 조사되었고, 고체 결정에서 토륨 229는 라이브 바카라 상태에 투입되었고, 탈퇴 빛이 관찰되었다 이 빛의 파장은 148 nm이며, 이는 84 eV의 에너지 차이에 해당하며 진공 자외선이라고하며 공기에 빠르게 흡수됩니다 사용 된 칼슘 불소 결정은이 파장 범위에서 빛으로도 전달 될 수있다
그림 2는 수평 축에서 입사 X- 레이의 에너지와 수직 축에서 관측 된 신호를 보여줍니다 상단은 공명으로 신호로 흩어져있는 X- 레이 (전통적인 방법)를 사용하고 바닥은 진공 자외선 (새로운 방법)을 사용합니다 동일한 X- 선 에너지로 신호가 증가하는 것으로 관찰되었으며, 토륨 229의 라이브 바카라 상태가 고체 결정에서 생성되어 진공 자외선이지면 상태로 돌아 오는 것으로 나타났습니다 (발췌)
라이브 바카라 상태에서의 탈 경험의 시간 변화는 그림 3의 오른쪽에 표시되며, 수평 축은 X- 선으로의 조사 이후의 시간을 나타내고, 수직 축은 진공 자외선의 신호를 보여줍니다 라이브 바카라 상태의 수의 시간 (반감기)은 약 450 초이며 신호가 줄어드는 것을 볼 수 있습니다 그림 3의 왼쪽 다이어그램은 X- 선 조사 시간이 변경 될 때 조사 직후 신호의 변화 (라이브 바카라 생성량에 해당)를 보여줍니다 우리는 점선과 같은 반감기에 해당하는 곡선으로 점차적으로 증가 할 것으로 예상했지만 실제로는 빠르게 일정한 값에 도달하고 더 이상 증가하지 않았습니다 이는 라이브 바카라 수명이 X- 선 조사 동안 감소 함을 나타내며, 라이브 바카라 상태가 X- 선 조사에 의해 강제로 발전 함을 나타낸다 우리는 이것을 담금질 현상이라고 부릅니다 그림 4는 Quench 현상의 배율, 즉 라이브 바카라 수명의 배율이 조사 된 X- 선 용량을 변화시킴으로써 제어 될 수 있음을 보여준다
그림 1 Thorium 229 레벨 다이어그램 (관련지면 상태 및 여기 상태)
|
그림 2 상단 : 두 번째 여기 상태의 라이브 바카라 선 산란 신호 (그림 1-①),
하단 : 라이브 바카라 상태의 진공 자외선 신호 (그림 1-②)
|
그림 3 오른쪽 : 라이브 바카라 상태로부터의 진공 자외선의 시간 변화, 왼쪽 : X- 선 조사 시간에 따라 X- 선 조사 직후 진공 자외선 (라이브 바카라 상태의 수에 해당)의 변화 아래는 착용감 (잔류)과의 편차입니다
그림 4 빔 강도가 변경되면 켄 배율 (1 QF의 수명)의 변화
<이 연구와 미래 개발의 중요성>
이 연구의 중요성 중 하나는 X- 선을 사용하여 고체 결정에 묻힌 Thorium-229의 흥분에 성공했으며, 발행 광이 관찰되었다는 것입니다 고체 결정에 묻힐 때, 빛을 방출하지 않고 전자를 방출하는 전환 (내부 변환 공정) 동안 발발 될 수 있지만,이 관찰은 거의 모든 라이브 바카라 상태가 광학 전이를 통해 접지 상태로 돌아온다는 것을 보여 주었다 또한 라이브 바카라 상태의 수명은 X- 선 조사에 의해 제어 될 수 있음이 밝혀졌다 이것들은 견고한 핵무기를 실현하는 데 필요한 정보이며, 우리가 이것을 실현하는 데 큰 진전을 이루었다고 말할 수 있습니다 앞으로, 우리의 목표는이 방법을 발전시키고, 자세한 내용을 명확히하고, 고정밀 레이저 (개발 중)와 결합하여 핵무기를 실현하는 것입니다
종이 이름 : 제어229VUV 투명 결정의 이소 머 스테이트 모집단
게시 된 논문 :Nature Communications
저자 : Takahiro Hiraki1, Koichi Okai1, Michael Bartokos2, Kjeld Beeks2, 후지모토3, 유타 후쿠 나가1, Hiramitsu Haba4, Yoshitaka Kasamatsu5, Shinji Kitao6, Adrian Leitner2, Takahiko Masuda1, Ming Guan1, Nobumoto Nagasawa7, Ryoichiro Ogake1, Martin Pimon2, Martin Pressler2, Noboru Sasao1, Fabian Schaden2, Thorsten Schumm2, Makoto Seto6, Yudai Shigekawa4, Kotaro Shimizu1, Tomas Sikorsky2, Kenji Tamasaku8, Sayuri Takatori1, Tsukasa Watanabe3, Atsushi Yamaguchi4, Yoshitaka Yoda7, 아키히로 요시미1& Koji Yoshimura1
1일본 오카야마 오카야마 대학교의 학제 간 과학 연구소
2원자 및 아 원자 물리학 연구소, Tu Wien, Vienna, Austria
3일본 쓰쿠바의 고급 산업 과학 기술 연구소 (AIST)
4Riken, 일본 와코
5일본 토요나카 오사카 대학교 과학 대학원
6일본 쿠마 토이 코, 교토 대학교 통합 방사선 및 원자력 과학 연구소
7Japan Synchrotron Radiation Research Institute (Jasri), Sayo-Cho, Sayo-Gun, Hyogo, Japan
8Riken Spring-8 Center, Sayo-Cho, Sayo-Gun, Hyogo, Japan
doi : 101038/s41467-024-49631-0
이 연구는 과학 연구를위한 일본 과학 홍보 협회 (JSPS) 과학 연구를위한 보조금 (JSPS)을 기반으로합니다 (JP18H04353, JP18H01230, JP19K14740, JP19K21879, JP19H00685, JP21H01194, JP21H0473, JP21H0473, JP21H01094 JP22K20371 및 JP23K13125), ITO Science Promotion Association, Inamori Foundation, EU-ERC (No856415 (Nuclock)), 20FUN01-TSCAC, FWF (Remoric) 및 P 33627 (NQRCLOCK)