Resonant excitation af nuklear ur-overgang set på XFEL – Physics World

Resonant excitation af nuklear ur-overgang set på XFEL – Physics World

Tidsstempel: 17. oktober 2023 kl. 12

Nuklear ur illustration
Nuklear tidtager: illustration af en skandiumkerne med et overlejret ur. (Med høflighed: European XFEL/Helmholtz Institute Jena/Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger)

Et vigtigt skridt mod at skabe et ekstremt nøjagtigt ur baseret på en nuklear overgang er taget af et internationalt hold af fysikere. Yuri Shvyd'ko på Argonne National Laboratory i USA og kolleger har opnået den resonante excitation af en nuklear overgang i scandium-45. Overgangen kunne bruges til at skabe et atomur med potentiale til at være meget mere nøjagtigt end de bedste atomure, der findes i dag.

Centralt for driften af ​​ethvert ur er en oscillator, der leverer et signal med en konstant frekvens. Dette kunne være svingningen af ​​et pendul eller den piezoelektriske vibration af en kvartskrystal. I dag er den anden defineret af ure, der bruger frekvensen af ​​mikrobølgestråling, der udsendes fra cæsiumatomer. Endnu mere nøjagtige atomure bruger højere frekvens lys fra atomare overgange til at skabe tidssignaler. Dagens bedste ur er nøjagtigt til bedre end én del ud af 1018 – hvilket betyder, at det ville tage over 30 milliarder år for urets tidtagning at akkumulere en afvigelse på mere end 1 s.

I princippet kunne endnu mere nøjagtige ure laves ved hjælp af højere frekvens nukleare overgange. En yderligere fordel ved nukleare ure i forhold til atomure er, at kerner er meget mere kompakte og stabile end atomer. Det betyder, at et nukleart ur ikke ville være så modtageligt for støj og interferens fra det omgivende miljø.

Resonans nødvendig

Der er dog mange udfordringer for dem, der forsøger at skabe nukleare ure. Dette inkluderer, hvordan man producerer kohærent stråling, der er resonans med en nuklear overgang - noget, der er nødvendigt for at producere et tidssignal. I et atomur sker dette ved at låse frekvensen af ​​en maser eller laser til en atomovergang.

"Med fremkomsten af ​​avancerede X-ray free-electron lasers (XFEL'er) i det sidste årti eller deromkring, er alternative atomur-oscillatorer nu inden for rækkevidde af direkte foton excitation," siger Shvyd'ko. "Den ekstremt smalle båndbredde, 12.4 keV overgang i scandium-45, med sin lange levetid på 0.47 s, er den mest lovende."

Denne ekstremt smalle båndbredde betyder dog også, at vinduet for frekvenser, der er resonante med overgangen, er 1015 gange smallere end spredningen af ​​frekvenser produceret selv af de mest banebrydende laserfaciliteter, der er tilgængelige i dag. "Det betyder, at kun en lille del af de indkommende røntgenstråler kan excitere kernerne med resonans; de dominerende off-resonans røntgenstråler skaber bare enorm detektorstøj,” forklarer Shvyd'ko.

Nu har Shvyd'ko og kolleger fundet en lovende vej rundt om dette støjproblem. Deres eksperimenter fandt sted på det europæiske XFEL-anlæg tæt på Hamborg i Tyskland, som i øjeblikket tilbyder den højeste intensitet af røntgenfotoner indstillet til specifikke frekvenser.

Fjernelse af mål

Deres eksperiment involverede affyring af røntgenimpulser mod et foliemål af scandium-45. Efter at en puls ramte målet, blev målet hurtigt fjernet fra strålelinjen til et nærliggende område, hvor fotondetektorerne var placeret. Denne isolation fra strålelinjen gjorde det muligt for holdet at måle det lille signal, der blev produceret af henfaldet af resonansexcitationen. Denne proces blev gentaget, da frekvensen af ​​de indfaldende lysimpulser blev scannet for at finde den nøjagtige frekvens, ved hvilken resonansen opstår.

"Kun 93 nukleare henfaldshændelser blev opdaget som svar på 1020 næsten-resonante fotoner rettet mod scandium-45-målet,” forklarer Shvyd'ko. "Men på grund af den ekstremt lave detektorstøj var dette tal nok til at detektere resonansen og tillade overgangens energi at blive målt med en usikkerhed mere end to størrelsesordener mindre end den tidligere bedste værdi."

Ved at bruge denne overgang som en frekvensstandard kunne fremtidens nukleare ur forblive nøjagtigt inden for 1 s hvert 300 milliarder år - hvilket er en markant forbedring i forhold til præcisionen af ​​de seneste atomure.

Før det er muligt, vil der dog være behov for yderligere forbedringer. "Et vigtigt næste skridt er den tidsopløste observation af røntgenstråler, der er spredt ud fra kernerne, hvilket ville afsløre den faktiske spektrale bredde af resonansen," forklarer Shvyd'ko.

Hvis forskellige udfordringer kan overvindes, kan teknologien få spændende implikationer inden for mange områder af banebrydende forskning. "Røntgen-excitationen af ​​scandium-45-resonansen og den nøjagtige måling af dens energi åbner nye veje for ultrahøjpræcisionsspektroskopi, nuklear urteknologi og ekstrem metrologi i regimet med højenergi-røntgenstråler," siger Shvyd' ko.

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden