تم رصد الإثارة الرنانة لانتقال الساعة النووية في XFEL – عالم الفيزياء

اتخذ فريق دولي من الفيزيائيين خطوة مهمة نحو إنشاء ساعة دقيقة للغاية تعتمد على التحول النووي. يوري شفيدكو في مختبر أرجون الوطني بالولايات المتحدة، نجح وزملاؤه في تحقيق الإثارة الرنانة للتحول النووي في سكانديوم-45. يمكن استخدام هذا التحول لإنشاء ساعة نووية ذات إمكانية أن تكون أكثر دقة من أفضل الساعات الذرية المتوفرة اليوم.

من الأمور المركزية في تشغيل أي ساعة هو المذبذب الذي يسلم إشارة بتردد ثابت. يمكن أن يكون هذا هو تأرجح البندول أو الاهتزاز الكهرضغطي لبلورة الكوارتز. واليوم، يتم تعريف الثانية من خلال الساعات التي تستخدم تردد إشعاع الميكروويف المنبعث من ذرات السيزيوم. حتى الساعات الذرية الأكثر دقة تستخدم ضوءًا عالي التردد من التحولات الذرية لإنشاء إشارات زمنية. أفضل ساعة اليوم دقيقة بنسبة أفضل من جزء واحد في 10¹⁸ - مما يعني أن الأمر سيستغرق أكثر من 30 مليار سنة حتى يتمكن ضبط الوقت على مدار الساعة من تجميع انحراف يزيد عن ثانية واحدة.

من حيث المبدأ، يمكن صنع ساعات أكثر دقة باستخدام التحولات النووية ذات التردد العالي. إحدى المزايا الأخرى للساعات النووية مقارنة بالساعات الذرية هي أن النوى أكثر إحكاما واستقرارا من الذرات. وهذا يعني أن الساعة النووية لن تكون عرضة للضوضاء والتداخل من البيئة المحيطة.

الرنين مطلوب

ومع ذلك، هناك العديد من التحديات التي تواجه أولئك الذين يحاولون إنشاء ساعات نووية. يتضمن ذلك كيفية إنتاج إشعاع متماسك يرن مع التحول النووي، وهو أمر ضروري لإنتاج إشارة زمنية. ويتم ذلك في الساعة الذرية عن طريق قفل تردد الميزر أو الليزر للانتقال الذري.

يقول شفيدكو: "مع ظهور أشعة ليزر الإلكترون الحر المتقدمة للأشعة السينية (XFELs) في العقد الماضي أو نحو ذلك، أصبحت مذبذبات الساعة النووية البديلة الآن في متناول إثارة الفوتون المباشر". "إن عرض النطاق الترددي الضيق للغاية، البالغ 12.4 كيلو فولت في سكانديوم-45، مع عمره الطويل الذي يبلغ 0.47 ثانية، هو الأكثر واعدة."

ومع ذلك، فإن هذا النطاق الترددي الضيق للغاية يعني أيضًا أن نافذة الترددات الرنانة مع الانتقال تبلغ 10¹⁵ مرات أضيق من انتشار الترددات التي تنتجها حتى أحدث مرافق الليزر المتاحة اليوم. «وهذا يعني أن نسبة ضئيلة فقط من الأشعة السينية الواردة يمكنها إثارة النوى بشكل رنيني؛ يوضح شفيدكو أن الأشعة السينية السائدة خارج الرنين تُحدِث ضوضاء كاشفة هائلة.

الآن، وجد شفيدكو وزملاؤه طريقة واعدة للتغلب على مشكلة الضوضاء هذه. أُجريت تجاربهم في منشأة XFEL الأوروبية القريبة من هامبورغ في ألمانيا، والتي تقدم حاليًا أعلى كثافة من فوتونات الأشعة السينية المضبوطة على ترددات محددة.

إزالة الهدف

تضمنت تجربتهم إطلاق نبضات من الأشعة السينية على هدف رقيق من سكانديوم-45. بعد أن تضرب النبضة الهدف، تتم إزالة الهدف بسرعة من خط الشعاع إلى منطقة قريبة حيث توجد أجهزة كشف الفوتون. وقد سمح هذا العزل عن خط الشعاع للفريق بقياس الإشارة الصغيرة الناتجة عن اضمحلال إثارة الرنين. تكررت هذه العملية حيث تم مسح تردد نبضات الضوء الساقطة من أجل العثور على التردد الدقيق الذي يحدث عنده الرنين.

"تم الكشف عن 93 حدث اضمحلال نووي فقط استجابةً لـ 10²⁰ يشرح شفيدكو أن "الفوتونات القريبة من الرنين موجهة نحو هدف سكانديوم 45". "ولكن بسبب ضجيج الكاشف المنخفض للغاية، كان هذا العدد كافيًا لاكتشاف الرنين والسماح بقياس طاقة الانتقال مع عدم اليقين بأكثر من أمرين من حيث الحجم أصغر من القيمة الأفضل السابقة."

الساعات النووية: لماذا تجعلها تجربة في CERN أقرب إلى الواقع؟

وباستخدام هذا التحول كمعيار للتردد، يمكن للساعة النووية في المستقبل أن تظل دقيقة في حدود ثانية واحدة كل 1 مليار سنة، وهو ما يحسّن بشكل كبير دقة أحدث الساعات الذرية.

ولكن قبل أن يصبح ذلك ممكنا، ستكون هناك حاجة إلى مزيد من التحسينات. يوضح شفيدكو: "الخطوة الرئيسية التالية هي المراقبة المحددة زمنيًا للأشعة السينية المنتشرة بشكل متماسك خارج النوى، والتي من شأنها أن تكشف عن العرض الطيفي الفعلي للرنين".

إذا أمكن التغلب على التحديات المختلفة، فقد يكون للتكنولوجيا آثار مثيرة في العديد من مجالات الأبحاث المتطورة. يقول شفيد: "إن إثارة الأشعة السينية لرنين سكانديوم-45 والقياس الدقيق لطاقتها يفتحان آفاقًا جديدة للتحليل الطيفي فائق الدقة وتكنولوجيا الساعة النووية والمقاييس المتطرفة في نظام الأشعة السينية عالية الطاقة". كو.

تم وصف البحث في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/