Toryum-229 atomunun çekirdeği, bilinen tüm Nüklit: Proton sayısı, nötron sayısı ve çekirdeğin enerji durumu ile karakterize edildiğinde farklı olan, yani bu üç çekirdeksel özellik dolayısıyla birbirlerinden farklılık gösteren atomların farklı nüklitler olduğu söylenir. Proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı olan nüklitler, aynı atomun izotoplarıdır. arasında benzersiz bir özelliğe sahip: Morötesi ışınla uyarılabilirlik. Şimdiye dek, Th-229 çekirdeğinin, bu özellikten sorumlu olan düşük enerjili durumu hakkında pek az şey biliniyordu. Almanya'dan birkaç araştırma ekibinin konuya odaklanması sonucunda, optik yöntemler kullanılarak, bu çekirdeksel durumun yük dağılımının biçimi gibi bazı önemli özellikleri hakkında daha önce hiç yapılmamış ölçümler yapıldı. Sonuçları Nature dergisinde yayımlanan çalışmada kullanılan yöntem sayesinde, atom çekirdeğinin lazer ile uyarılışı izlenebiliyor. Böylelikle, şu anki atom saatlerinden daha duyarlı tiktakları olan bir "optik çekirdek saati" yapılabiliyor.

15 yıl öncesi gibi erken bir tarihte, Braunschweig'ta bulunan PTB Araştırma Merkezi'nden (Alm. Physikalisch-Technische Bundesanstalt) Ekkehard Peik ve Christian Tamm, yeni bir atom saati fikri üzerinde çalışıyordu. Saatin atım üreteci olarak atomun elektron kabuğundaki iki durum arası geçiş frekansının yerine (bugün kullanılan tüm atomik saatlerde olan budur), çekirdekteki geçiş frekanslarını kullanmayı deniyorlardı. Çekirdekteki protonlar ve nötronlar, atomik kabuktaki elektronlardan çok daha sıkı paketli olduklarından, geçiş frekanslarını değiştirebilecek dış etkenlere karşı daha dirençli olacaklardı. Bu da saatin duyarlılığın daha yüksek olması anlamına geliyordu.

Ancak çekirdeksel geçişlerin frekansları, x-ışın bölgesinde bulunan kabuk geçişleri frekanslarından çok daha yüksektir. Bu nedenle, mikrodalga veya lazerle çalışan atomik saatler için şimdiye dek kullanılamadılar. Bilinen tek istisna olan toryum-229 ise PTB çalışmasının temelini oluşturdu. Bu çekirdek, sıradışı düşüklükte bir uyarılma enerjili, kararlımsı (İng. quasi-stable), izomerik bir çekirdeksel duruma sahip. Taban durumu ile bu izomer arasındaki geçişin frekansı, elektromanyetik izgenin morötesi bölgesinde bulunuyor. Dolayısıyla günümüzde kullanılan optik atom saatlerindekine benzer bir lazer teknolojisi ile kullanılabilirler.



Dünya çapında yaklaşık 10 kadar farklı bilim ekibi, bir toryum-229 çekirdek saatinin yapılabilirliğini konu alan projeler üzerinde çalışıyor. Deneysel terimlerle, bu meselenin aşırı zor olduğu kanıtlandı. İzomerin uyarılma enerjisi net olarak bilinmediği ve yaklaşık değeri kullanıldığı için optik yöntemler kullanarak çekirdeksel geçişin gözlemlenmesinde başarıya ulaşılamamıştı. Peik, iki durum arasındaki enerji farkına tam olarak uyan bir lazer ışını kullanılmadığı sürece, gözlemin yapılamayacağını, geçiş rezonansının aşırı keskin olduğunu belirtiyor. O nedenle yaptıkları işin, samanlıkta iğne aramaya benzediğini ekliyor.

2016 yılında, Münih'te bulunan Ludwig Maximilians Üniversitesi'nde çalışan ve Peik'le de ortaklığı bulunan bir ekip, bu konuda önemli bir ilerleme kaydetti. Toryum-229 çekirdeğinin içinde çekirdeksel geçişin gerçekleştiğini kanıtladılar. Kullandıkları yöntem ise atom saatlerinde kullanılanlardan çok farklıydı.

Ekiplerin kısa süre önce tamamladıkları son çalışmada bir adım daha ileri gidilerek, ilk kez olarak, Th-229 çekirdeğinin söz konusu uyarılmış durumunun temel özellikleri ölçüldü. Ancak bu çalışmada, ileride yapılacak çekirdek saatinde olması planlanandan farklı olarak, taban durumundan uyarılma yapılmadı. LMU ekibi tarafından yeni geliştirilen bir cihaz yardımıyla, uranyum-233'ün alfa bozunumu kullanıldı; çekirdekler yavaşlatılıp, Th2+ iyonları olarak bir iyon tuzağında depolandılar.

Bu amaca uygun bir uranyum-233 kaynağı, Mainz ve Darmstadt ekipleri tarafından sağlandı. İyonların izgeölçümü için PTB'de geliştirilen lazer sistemleri sayesinde de elektron kabuğundaki geçiş frekansları doğru bir şekilde ölçülebildi. Bu frekanslar çekirdeksel özellikler tarafından doğrudan etkilendiklerinden, o özellikler hakkında bilgi edinmek için kullanıldılar.

Şimdiye dek, sadece kurama dayalı modeller, Th-229 çekirdeğinin yapısının, bu sıradışı düşük enerjili geçiş sırasında nasıl davranacağını öngörememişti. Dahası, elektron kabuğunun yapısını izgeölçümü ile ölçmek daha kolay olduğundan, çekirdeğin bir lazer uyarılmasını göstermek için onu kullanmak mümkün hâle geldi. Bu çalışma her ne kadar Th-229 çekirdeğinin optik rezonans frekansının (samanlıktaki iğnenin) arayışının bittiği anlamına gelmese de, en azından artık o iğnenin neye benzediğini biliyoruz. Bu da bizi optik çekirdeksel saatlere bir adım daha yaklaştırıyor.