Tuumakella ülemineku resonantsergastus, mida täheldati XFEL-is – Physics World

Rahvusvaheline füüsikute meeskond on astunud olulise sammu tuumaüleminekul põhineva ülitäpse kella loomise suunas. Juri Švõdko USA Argonne'i riiklikus laboris ja tema kolleegid on saavutanud skandium-45 tuumaülemineku resonantsergastuse. Üleminekut saab kasutada tuumakella loomiseks, mis võib olla palju täpsem kui parimad praegu saadaolevad aatomkellad.

Iga kella töös on kesksel kohal ostsillaator, mis edastab signaali ühtlase sagedusega. See võib olla pendli kõikumine või kvartskristalli piesoelektriline vibratsioon. Tänapäeval määratlevad teist kellad, mis kasutavad tseesiumi aatomitest kiiratava mikrolainekiirguse sagedust. Veelgi täpsemad aatomkellad kasutavad ajasignaalide loomiseks kõrgema sagedusega valgust aatomiüleminekutest. Tänapäeva parima kella täpsus on parem kui üks osa kümnest¹⁸ – mis tähendab, et üle 30 s suuruse hälbe kogumiseks kuluks kella ajamõõtmisele üle 1 miljardi aasta.

Põhimõtteliselt saaks kõrgema sagedusega tuumaüleminekuid kasutades teha veelgi täpsemaid kellasid. Tuumakellade veel üks eelis aatomkellade ees on see, et tuumad on palju kompaktsemad ja stabiilsemad kui aatomid. See tähendab, et tuumakell ei oleks ümbritseva keskkonna müra ja häirete suhtes nii vastuvõtlik.

Vajalik resonants

Tuumakellade loomise katsetajad seisavad aga silmitsi paljude väljakutsetega. See hõlmab seda, kuidas luua koherentset kiirgust, mis resonantsi tuumaüleminekuga – midagi, mida on vaja ajasignaali tekitamiseks. Aatomkellas tehakse seda maseri või laseri sageduse lukustamisel aatomi üleminekuks.

"Kuna viimase kümne aasta jooksul on tulnud täiustatud röntgenikiirguse vabaelektronlaserid (XFEL), on alternatiivsed tuumakella ostsillaatorid nüüd otsese footoni ergastuse käeulatuses," ütleb Shvyd'ko. "Äärmiselt kitsas ribalaius, 12.4 keV üleminek skandium-45-s, selle pika elueaga 0.47 s on kõige paljutõotavam."

See äärmiselt kitsas ribalaius tähendab aga ka seda, et üleminekuga resonantse sageduste aken on 10¹⁵ korda kitsam kui sageduste levik, mida toodavad isegi tänapäeval saadaolevad tipptasemel laserseadmed. "See tähendab, et ainult väike osa sissetulevatest röntgenikiirgustest suudab tuumasid resonantsselt ergutada; domineerivad resonantsivälised röntgenikiirgused tekitavad lihtsalt tohutut detektorimüra,” selgitab Shvyd'ko.

Nüüd on Shvyd'ko ja kolleegid leidnud paljulubava viisi sellest müraprobleemist mööda hiilida. Nende katsed toimusid Saksamaal Hamburgi lähedal asuvas Euroopa XFEL-i rajatises, mis pakub praegu suurimat intensiivsust konkreetsetele sagedustele häälestatud röntgenfootoneid.

Sihtmärgi eemaldamine

Nende katse hõlmas röntgenimpulsside tulistamist skandium-45 fooliumi sihtmärgile. Pärast seda, kui impulss tabas sihtmärki, eemaldati sihtmärk kiiresti kiirtejoonelt lähedalasuvasse piirkonda, kus asusid footonidetektorid. See valgusvihust eraldamine võimaldas meeskonnal mõõta väikest signaali, mis tekkis resonantsergastuse vaibumisel. Seda protsessi korrati, kui skaneeriti langevate valgusimpulsside sagedust, et leida resonantsi täpne sagedus.

"Reaktsioonina 93-le tuvastati ainult 10 tuuma lagunemise sündmust²⁰ peaaegu resonantsed footonid, mis on suunatud skandium-45 sihtmärgile, ”selgitab Shvyd'ko. "Kuid detektori ülimadala müra tõttu piisas sellest numbrist resonantsi tuvastamiseks ja ülemineku energia mõõtmiseks eelmisest parimast väärtusest enam kui kahe suurusjärgu võrra väiksema määramatusega."

Tuumakellad: miks CERNi eksperiment toob need tegelikkusele lähemale

Kasutades seda üleminekut sagedusstandardina, võib tuleviku tuumakell püsida täpsusega 1 s iga 300 miljardi aasta järel, mis parandab oluliselt viimaste aatomkellade täpsust.

Enne seda on aga vaja täiendavaid parandusi. "Järgmine oluline samm on tuumadest koherentselt hajutatud röntgenikiirte ajaliselt lahendatud vaatlus, mis paljastaks resonantsi tegeliku spektraallaiuse," selgitab Shvyd'ko.

Kui erinevatest väljakutsetest saab üle, võib tehnoloogial olla põnev mõju paljudes tipptasemel teadusuuringute valdkondades. "Skandium-45 resonantsi röntgenikiirgus ja selle energia täpne mõõtmine avavad uued võimalused ülitäpse spektroskoopia, tuumakella tehnoloogia ja äärmusliku metroloogia jaoks suure energiaga röntgenikiirguse režiimis," ütleb Shvyd' ko.

Uuringut kirjeldatakse artiklis loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/