Ydinkellon siirtymän resonoiva viritys havaittiin XFEL - Physics World -tapahtumassa

Kansainvälinen fyysikkoryhmä on ottanut tärkeän askeleen kohti ydinsiirtymään perustuvaa erittäin tarkan kellon luomista. Juri Shvyd'ko Argonne National Laboratoryssa Yhdysvalloissa ja kollegat ovat saavuttaneet skandium-45:n ydinsiirtymän resonoivan virityksen. Siirtymää voitaisiin käyttää ydinkellon luomiseen, joka voisi olla paljon tarkempi kuin parhaat nykyään saatavilla olevat atomikellot.

Keskeistä minkä tahansa kellon toiminnalle on oskillaattori, joka lähettää signaalin tasaisella taajuudella. Tämä voi olla heilurin heilumista tai kvartsikiteen pietsosähköistä värähtelyä. Nykyään toisen määrittelevät kellot, jotka käyttävät cesiumatomien lähettämän mikroaaltosäteilyn taajuutta. Vielä tarkemmat atomikellot käyttävät korkeataajuista valoa atomisiirtymistä aikasignaalien luomiseen. Tämän päivän paras kello on parempi kuin yksi osa 10:stä¹⁸ – mikä tarkoittaa, että kestäisi yli 30 miljardia vuotta, ennen kuin kellon ajanmittaus kerääisi yli 1 sekunnin poikkeaman.

Periaatteessa vielä tarkempia kelloja voitaisiin tehdä käyttämällä korkeataajuisia ydinsiirtymiä. Yksi ydinkellojen lisäetu atomikelloihin verrattuna on, että ytimet ovat paljon kompaktimpia ja vakaampia kuin atomit. Tämä tarkoittaa, että ydinkello ei olisi yhtä herkkä ympäristön melulle ja häiriöille.

Resonanssia tarvitaan

Ydinkellojen luomista yrittävillä on kuitenkin monia haasteita. Tämä sisältää kuinka tuottaa koherenttia säteilyä, joka resonoi ydinsiirtymän kanssa – jotain, jota tarvitaan aikasignaalin tuottamiseen. Atomikellossa tämä tehdään lukitsemalla maserin tai laserin taajuus atomisiirtymään.

"Kehittyneiden röntgenvapaiden elektronien lasereiden (XFEL) tultua käyttöön viimeisen vuosikymmenen aikana vaihtoehtoiset ydinkellooskillaattorit ovat nyt suoran fotonivirityksen ulottuvilla", Shvyd'ko sanoo. "Skandium-12.4:n erittäin kapea kaistanleveys, 45 keV:n siirtymä, pitkällä 0.47 s:n käyttöiällä on lupaavin."

Tämä erittäin kapea kaistanleveys tarkoittaa kuitenkin myös sitä, että siirtymän kanssa resonoivien taajuuksien ikkuna on 10¹⁵ kertaa kapeampi kuin nykyaikaisimpienkin laserlaitteiden tuottamien taajuuksien leviäminen. "Tämä tarkoittaa, että vain pieni osa tulevista röntgensäteistä voi virittää ytimiä resonoivasti; hallitsevat off-resonanssiröntgensäteet luovat vain valtavaa ilmaisinkohinaa”, Shvyd'ko selittää.

Nyt Shvyd'ko ja kollegat ovat löytäneet lupaavan tavan kiertää tämä meluongelma. Heidän kokeensa tapahtuivat eurooppalaisessa XFEL-laitoksessa lähellä Hampuria Saksassa, joka tarjoaa tällä hetkellä korkeimman intensiteetin tietyille taajuuksille viritettyjä röntgenfotoneja.

Kohteen poisto

Heidän kokeensa sisälsi röntgenpulssien ampumisen skandium-45-kalvokohteeseen. Kun pulssi osui kohteeseen, kohde poistettiin nopeasti sädelinjasta läheiselle alueelle, jossa fotoniilmaisimet sijaitsivat. Tämä eristys sädelinjasta antoi ryhmälle mahdollisuuden mitata pientä signaalia, jonka resonanssivirityksen vaimeneminen tuotti. Tämä prosessi toistettiin, kun tulevan valopulssien taajuutta skannattiin, jotta löydettäisiin tarkka taajuus, jolla resonanssi esiintyy.

"Ainoastaan ​​93 ydinhajoamistapahtumaa havaittiin vastauksena 10:een²⁰ lähes resonanssifotonit, jotka on suunnattu skandium-45-kohteeseen”, Shvyd'ko selittää. "Mutta erittäin alhaisen ilmaisinkohinan vuoksi tämä luku riitti havaitsemaan resonanssin ja mahdollistamaan siirtymän energian mittaamisen yli kaksi suuruusluokkaa pienemmällä epävarmuudella kuin edellinen paras arvo."

Ydinkellot: miksi CERNin kokeilu tuo ne lähemmäs todellisuutta

Käyttämällä tätä siirtymää taajuusstandardina tulevaisuuden ydinkello voisi pysyä 1 sekunnin tarkkuudella 300 miljardin vuoden välein – mikä parantaa huomattavasti uusimpien atomikellojen tarkkuutta.

Ennen kuin se on mahdollista, tarvitaan kuitenkin lisäparannuksia. "Tärkein seuraava askel on ytimistä koherentisti hajallaan olevien röntgensäteiden aikaerotteinen havainto, joka paljastaisi resonanssin todellisen spektrin leveyden", Shvyd'ko selittää.

Jos erilaiset haasteet voidaan voittaa, teknologialla voi olla jännittäviä vaikutuksia monilla huippututkimuksen aloilla. "Skandium-45-resonanssin röntgenviritys ja sen energian tarkka mittaus avaavat uusia väyliä erittäin tarkkaan spektroskopiaan, ydinkelloteknologiaan ja äärimmäiseen metrologiaan korkeaenergisten röntgensäteiden käytössä", Shvyd' sanoo. ko.

Tutkimusta kuvataan luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/