Συντονική διέγερση της μετάβασης του πυρηνικού ρολογιού εντοπίστηκε στο XFEL – Physics World

Ένα σημαντικό βήμα προς τη δημιουργία ενός εξαιρετικά ακριβούς ρολογιού που βασίζεται σε μια πυρηνική μετάβαση έχει γίνει από μια διεθνή ομάδα φυσικών. Γιούρι Σβίντκο στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στις ΗΠΑ και οι συνεργάτες του πέτυχαν την συντονισμένη διέγερση μιας πυρηνικής μετάβασης στο σκάνδιο-45. Η μετάβαση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού με τη δυνατότητα να είναι πολύ πιο ακριβής από τα καλύτερα ατομικά ρολόγια που είναι διαθέσιμα σήμερα.

Κεντρικό στοιχείο στη λειτουργία οποιουδήποτε ρολογιού είναι ένας ταλαντωτής που παρέχει ένα σήμα σε σταθερή συχνότητα. Αυτό μπορεί να είναι η αιώρηση ενός εκκρεμούς ή η πιεζοηλεκτρική δόνηση ενός κρυστάλλου χαλαζία. Σήμερα, το δεύτερο ορίζεται από ρολόγια που χρησιμοποιούν τη συχνότητα της ακτινοβολίας μικροκυμάτων που εκπέμπεται από τα άτομα καισίου. Ακόμη πιο ακριβή ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούν φως υψηλότερης συχνότητας από ατομικές μεταβάσεις για να δημιουργήσουν σήματα χρόνου. Το καλύτερο ρολόι του σήμερα είναι ακριβέστερο από ένα μέρος στο 10¹⁸ – πράγμα που σημαίνει ότι θα χρειαζόταν πάνω από 30 δισεκατομμύρια χρόνια για να συσσωρεύσει η χρονομέτρηση του ρολογιού μια απόκλιση μεγαλύτερη από 1 δευτερόλεπτο.

Κατ' αρχήν, ακόμη πιο ακριβή ρολόγια θα μπορούσαν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας πυρηνικές μεταβάσεις υψηλότερης συχνότητας. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα των πυρηνικών ρολογιών έναντι των ατομικών ρολογιών είναι ότι οι πυρήνες είναι πολύ πιο συμπαγείς και σταθεροί από τα άτομα. Αυτό σημαίνει ότι ένα πυρηνικό ρολόι δεν θα είναι τόσο ευαίσθητο σε θόρυβο και παρεμβολές από το περιβάλλον.

Απαιτείται συντονισμός

Ωστόσο, υπάρχουν πολλές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν όσοι προσπαθούν να δημιουργήσουν πυρηνικά ρολόγια. Αυτό περιλαμβάνει τον τρόπο παραγωγής συνεκτικής ακτινοβολίας που είναι συντονισμένη με μια πυρηνική μετάβαση – κάτι που χρειάζεται για την παραγωγή ενός σήματος χρόνου. Σε ένα ατομικό ρολόι αυτό γίνεται με το κλείδωμα της συχνότητας ενός μέιζερ ή λέιζερ σε μια ατομική μετάβαση.

«Με την έλευση των προηγμένων λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFEL) την τελευταία δεκαετία περίπου, οι εναλλακτικοί ταλαντωτές πυρηνικού ρολογιού είναι πλέον κοντά στην άμεση διέγερση φωτονίων», λέει ο Shvyd'ko. «Η εξαιρετικά στενή μετάβαση στο εύρος ζώνης, 12.4 keV στο scandium-45, με τη μεγάλη διάρκεια ζωής των 0.47 s, είναι η πιο πολλά υποσχόμενη».

Ωστόσο, αυτό το εξαιρετικά στενό εύρος ζώνης σημαίνει επίσης ότι το παράθυρο των συχνοτήτων που συντονίζονται με τη μετάβαση είναι 10¹⁵ φορές μικρότερη από την εξάπλωση των συχνοτήτων που παράγονται ακόμη και από τις πιο σύγχρονες εγκαταστάσεις λέιζερ που είναι διαθέσιμες σήμερα. «Αυτό σημαίνει ότι μόνο ένα μικρό ποσοστό των εισερχόμενων ακτίνων Χ μπορεί να διεγείρει συντονισμένα τους πυρήνες. οι κυρίαρχες ακτίνες Χ εκτός συντονισμού δημιουργούν απλώς τεράστιο θόρυβο ανιχνευτή», εξηγεί ο Shvyd'ko.

Τώρα, ο Shvyd'ko και οι συνεργάτες του βρήκαν έναν πολλά υποσχόμενο τρόπο να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα θορύβου. Τα πειράματά τους πραγματοποιήθηκαν στην ευρωπαϊκή εγκατάσταση XFEL κοντά στο Αμβούργο στη Γερμανία, η οποία αυτή τη στιγμή προσφέρει την υψηλότερη ένταση φωτονίων ακτίνων Χ συντονισμένων σε συγκεκριμένες συχνότητες.

Αφαίρεση στόχου

Το πείραμά τους περιελάμβανε εκτόξευση παλμών ακτίνων Χ σε στόχο αλουμινίου σκανδίου-45. Αφού ένας παλμός χτυπήσει τον στόχο, ο στόχος απομακρύνθηκε γρήγορα από τη γραμμή δέσμης σε μια κοντινή περιοχή όπου βρίσκονταν οι ανιχνευτές φωτονίων. Αυτή η απομόνωση από τη γραμμή δέσμης επέτρεψε στην ομάδα να μετρήσει το μικροσκοπικό σήμα που παράγεται από τη διάσπαση της συντονιστικής διέγερσης. Αυτή η διαδικασία επαναλήφθηκε καθώς η συχνότητα των παλμών προσπίπτοντος φωτός σαρώθηκε προκειμένου να βρεθεί η ακριβής συχνότητα στην οποία εμφανίζεται ο συντονισμός.

«Μόνο 93 συμβάντα πυρηνικής αποσύνθεσης εντοπίστηκαν ως απάντηση σε 10²⁰ σχεδόν συντονισμένα φωτόνια που κατευθύνονται στον στόχο του σκανδίου-45», εξηγεί ο Shvyd'ko. «Αλλά λόγω του εξαιρετικά χαμηλού θορύβου του ανιχνευτή, αυτός ο αριθμός ήταν αρκετός για να ανιχνεύσει τον συντονισμό και να επιτρέψει τη μέτρηση της ενέργειας της μετάβασης με αβεβαιότητα μεγαλύτερη από δύο τάξεις μεγέθους μικρότερη από την προηγούμενη καλύτερη τιμή».

Πυρηνικά ρολόγια: γιατί ένα πείραμα στο CERN τα φέρνει πιο κοντά στην πραγματικότητα

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μετάβαση ως πρότυπο συχνότητας, ένα πυρηνικό ρολόι του μέλλοντος θα μπορούσε να παραμείνει ακριβές σε 1 δευτερόλεπτο κάθε 300 δισεκατομμύρια χρόνια – βελτιώνοντας σημαντικά την ακρίβεια των πιο πρόσφατων ατομικών ρολογιών.

Προτού καταστεί αυτό δυνατό, ωστόσο, θα χρειαστούν περαιτέρω βελτιώσεις. «Ένα βασικό επόμενο βήμα είναι η χρονικά επιλυμένη παρατήρηση των ακτίνων Χ που διασκορπίζονται με συνέπεια από τους πυρήνες, που θα αποκάλυπτε το πραγματικό φασματικό πλάτος του συντονισμού», εξηγεί ο Shvyd'ko.

Εάν μπορούν να ξεπεραστούν διάφορες προκλήσεις, η τεχνολογία θα μπορούσε να έχει συναρπαστικές επιπτώσεις σε πολλούς τομείς της έρευνας αιχμής. «Η διέγερση ακτίνων Χ του συντονισμού σκανδίου-45 και η ακριβής μέτρηση της ενέργειάς του ανοίγουν νέους δρόμους για φασματοσκοπία υπερυψηλής ακρίβειας, τεχνολογία πυρηνικού ρολογιού και ακραία μετρολογία στο καθεστώς των ακτίνων Χ υψηλής ενέργειας», λέει ο Shvyd' ko.

Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/