Toryum-229 ile zamanın yeni tanımı: Nükleer saatler

Zamanı ölçmenin sınırları Toryum-229 sayesinde yeniden çiziliyor ve nükleer saatler gerçeğe dönüşüyor. Son yıllarda İlgiyi toplayan nükleer saatler, şuan da kullanılan atom saatlerine göre çok daha hassas ölçüm yapabilmektedir. Bu konuda önemli nokta olarak ise Toryum-229 isimli element karşımıza çıkmaktadır. 

Colorado Üniversitesi ve Viyana Teknik Üniversitesi’nin ortak olarak yürüttüğü çalışmalarda Toryum-229 isimli izotopu daha yakından tanıma fırsatımız olmuştur. Toryum-229 ‘un önemi ise çekirdeğinde bulunan çok düşük enerjili geçiş bulundurmasıdır. Bu sayede çevresel koşullardan çok düşük oranlarda etkilenmektedir. Saatlerde bulunması gereken en önemli özellik doğru bir şekilde çalışabilmesidir ve bunun için çevresel etkilerin minimum seviyede olması gerekmektedir. Buna benzer sıkıntıları gidermede Toryum-229 büyük bir potansiyel taşımaktadır. Toryum katkılı kalsiyum florür (CaF₂) kullanılarak yapılan bir deneyde Toryumun çekirdeğindeki geçiş detaylı olarak gözlemlenmiştir ve bu geçişin farklı sıcaklıklarda nasıl etkilendiği incelenmiştir.¹

Toryum-229, çalışmada 3 farklı sıcaklık değerinde (150K, 229K, 293K) incelenmiştir. Sıcaklık arttıkça kristalin yapısı genleşmektedir ve bu sebeple çekirdek çevresindeki elektron yoğunluğu azalmaktadır. Elektronlar çekirdekten giderek uzaklaşırken, aynı zamanda nükleer geçişin frekansında da bir düşüş yaşanmıştır. Bu duruma bilim dünyasında “izomerik kayma” denilmektedir. 150-293 K arasında ayrışmamış geçiş frekansındaki azalma, sıcaklık arttıkça çekirdek çevresindeki elektronik yük yoğunluğunun azaldığını göstermektedir.

İzomerik geçişin hassasiyeti sıcaklık gibi çevresel etkilere ek olarak aynı zamanda yapılan son çalışmalar ile Toryum-229 çekirdeğinde bulunan geçişin aynı zamanda doğanın temel sabitlerinden biri olan ince yapı sabiti (α)’ya karşı aşırı duyarlı olduğu gözlemlenmiştir. Lazerle yapılan ölçümler sonucunda geçiş frekansının, α’daki minimal değişimlere nasıl tepki verdiğini gözlemlemiş ve bunun sonucunda bu duyarlılığı tanımlayan büyütme katsayısı (K) 5900 (2300) olarak hesaplanmıştır. Bu değer temel fizik tesleri için Toryum-229 elementini büyük oranda ön plana çıkarmaktadır.²

Nükleer saatlerin hassasiyetini etkileyen en önemli faktörlerden birisi çekirdek çevresindeki elektron yoğunluğudur. Fakat burada en önemli kısım bazı geçişlerin sıcaklık değişimine rağmen nerdeyse hiç etkilenmemesidir. Bazı geçişlerin bu kadar az etkilemesinin sebebi kristaldeki, elektrik alan yapısındaki değişimin ve elektron yoğunluğundaki kaymanın birbirini büyük oranda dengelemesidir.

Bu sayede özellikle  m = ±5/2 → m= ±3/2 geçişinin nükleer saatlerin temel yapı taşı kısmında kullanılabilme potansiyeli taşımasıdır. Bu geçişin 143K sıcaklık aralığında yalnızca 62(6) kHz değiştiği görülmüştür. Nükleer saatlerde aranan hassasiyet pratikte milyarlarca yıl boyunca sadece bir saniye hatadır. Fakat bu derece bir hassasiyet için kristalin sıcaklığının 5 mikrokelvin (0,000005) bile değişmemesi gerekmektedir. Bu sıcaklık günümüzde son teknolojiler ile bu mümkündür. 

Bu çalışmadaki gelişmeler sadece saat teknolojisi ile kalmayıp aynı zamanda da maddenin iç yapısını ayrıntılı şekilde anlamamıza olanak sağlamaktadır. Mössbauer spektroskopisine benzer olarak bir malzemenin içinde elektronların nasıl dağıldığı, bağ yapıları ve atom altı düzeyde sıcaklık etkilerini bile tespiti etmemize olanak sağlıyor. 

Dahası, yapılan son çalışmalar ile Toryum-229’un doğanın temel yasalarını test etmede kullanılabilecek bir potansiyeli olduğunu gösteriyor. Özellikle ince yapı sabiti (α) gibi sabitlere yüksek oranda hassasiyet gösterdiği için karanlık madde gibi modern fiziğin bile henüz anlayamadığı problemlere çözmede baş rol olabilr.

Araştırmacılar, gelecekte bu hassas geçişleri dahada iyileştirmek için kristal yapıya bilinçli olarak mekanik gerilmeler uygulayarak sıcaklığa bağlı kaymaların sıfıra çekilmesi ile çok daha kararlı saatlerin elde edilmesi için planlar yapmaktadır. Sonuç olarak bu çalışma, Toryum-229‘un bizlere sunabileceği eşsiz avantajları gözler önüne sermektedir. Sıcaklıktan neredeyse hiç etkilenmeyen geçişlerin bulunmasıyla, nükleer saatlerin artık hayal olmaktan çıkıp yakın gelecekte hayatımıza dahil olabileceğini gösteriyor.

Kaynaklar

1. 1. Hughes-Castleberry, K. (2025, March 17). Dialing in the temperature needed for precise nuclear timekeeping. Phys.org.
   2. Beeks, K., Kazakov, G. A., Schaden, F., Morawetz, I., de Col, L. T., Riebner, T., … & Safronova, M. S. (2024). Fine-structure constant sensitivity of the Th-229 nuclear clock transition. arXiv preprint arXiv:2407.17300.