Excitación resonante de la transición del reloj nuclear detectada en XFEL – Physics World

Un equipo internacional de físicos ha dado un paso importante hacia la creación de un reloj extremadamente preciso basado en una transición nuclear. Yuri Shvyd'ko del Laboratorio Nacional Argonne (EE.UU.) y sus colegas han logrado la excitación resonante de una transición nuclear en escandio-45. La transición podría usarse para crear un reloj nuclear con el potencial de ser mucho más preciso que los mejores relojes atómicos disponibles en la actualidad.

Un elemento central para el funcionamiento de cualquier reloj es un oscilador que entrega una señal a una frecuencia constante. Podría ser el balanceo de un péndulo o la vibración piezoeléctrica de un cristal de cuarzo. Hoy en día, el segundo lo definen los relojes que utilizan la frecuencia de la radiación de microondas que emiten los átomos de cesio. Relojes atómicos aún más precisos utilizan luz de mayor frecuencia procedente de transiciones atómicas para crear señales horarias. El mejor reloj actual tiene una precisión de más de una parte entre 10¹⁸ – lo que significa que se necesitarían más de 30 mil millones de años para que el reloj acumulara una desviación de más de 1 s.

En principio, se podrían fabricar relojes aún más precisos utilizando transiciones nucleares de mayor frecuencia. Otro beneficio de los relojes nucleares sobre los relojes atómicos es que los núcleos son mucho más compactos y estables que los átomos. Esto significa que un reloj nuclear no sería tan susceptible al ruido y a las interferencias del entorno.

Se necesita resonancia

Sin embargo, quienes intentan crear relojes nucleares enfrentan muchos desafíos. Esto incluye cómo producir radiación coherente que resuene con una transición nuclear, algo que se necesita para producir una señal horaria. En un reloj atómico, esto se hace bloqueando la frecuencia de un máser o láser en una transición atómica.

"Con la llegada de los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) avanzados en la última década, osciladores de reloj nuclear alternativos están ahora al alcance de la excitación directa de fotones", dice Shvyd'ko. "El ancho de banda extremadamente estrecho, la transición de 12.4 keV en el escandio-45, con su larga vida útil de 0.47 s, es el más prometedor".

Sin embargo, este ancho de banda extremadamente estrecho también significa que la ventana de frecuencias que resuenan con la transición es de 10¹⁵ veces más estrecha que la dispersión de frecuencias producidas incluso por las instalaciones láser más modernas disponibles en la actualidad. “Esto significa que sólo una pequeña proporción de los rayos X entrantes pueden excitar resonantemente los núcleos; los rayos X dominantes fuera de resonancia simplemente crean un ruido enorme en el detector”, explica Shvyd'ko.

Ahora, Shvyd'ko y sus colegas han encontrado una forma prometedora de solucionar este problema del ruido. Sus experimentos se llevaron a cabo en las instalaciones europeas XFEL cerca de Hamburgo, Alemania, que actualmente ofrecen la mayor intensidad de fotones de rayos X sintonizados a frecuencias específicas.

Eliminación de objetivos

Su experimento implicó disparar pulsos de rayos X a un objetivo metálico de escandio-45. Después de que un pulso golpea el objetivo, éste se retira rápidamente de la línea de luz a una región cercana donde se encuentran los detectores de fotones. Este aislamiento de la línea de luz permitió al equipo medir la pequeña señal producida por la decadencia de la excitación resonante. Este proceso se repitió a medida que se escaneaba la frecuencia de los pulsos de luz incidentes para encontrar la frecuencia exacta a la que se produce la resonancia.

“Sólo se detectaron 93 eventos de desintegración nuclear en respuesta a 10²⁰ fotones casi resonantes dirigidos al objetivo de escandio-45”, explica Shvyd'ko. "Pero debido al ruido extremadamente bajo del detector, este número fue suficiente para detectar la resonancia y permitir que la energía de la transición se midiera con una incertidumbre más de dos órdenes de magnitud menor que el mejor valor anterior".

Relojes nucleares: por qué un experimento en el CERN los acerca a la realidad

Utilizando esta transición como estándar de frecuencia, un reloj nuclear del futuro podría mantener una precisión de 1 s cada 300 mil millones de años, mejorando enormemente la precisión de los relojes atómicos más recientes.

Sin embargo, antes de que eso sea posible, serán necesarias más mejoras. "Un siguiente paso clave es la observación temporal de los rayos X dispersados ​​coherentemente desde los núcleos, lo que revelaría la amplitud espectral real de la resonancia", explica Shvyd'ko.

Si se pueden superar varios desafíos, la tecnología podría tener implicaciones interesantes en muchos campos de la investigación de vanguardia. "La excitación con rayos X de la resonancia de escandio-45 y la medición precisa de su energía abren nuevas vías para la espectroscopia de ultra alta precisión, la tecnología de relojes nucleares y la metrología extrema en el régimen de rayos X de alta energía", dice Shvyd' ko.

La investigación se describe en Naturaleza.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/