A magóra-átmenet rezonáns gerjesztését észlelték az XFEL - Physics World-ben

Fontos lépést tett egy nukleáris átmeneten alapuló rendkívül pontos óra létrehozása felé egy nemzetközi fizikuscsoport. Jurij Svydko az Argonne National Laboratoryban (USA) és munkatársai a szkandium-45 nukleáris átmenetének rezonáns gerjesztését érték el. Az átmenet felhasználható egy olyan nukleáris óra létrehozására, amely sokkal pontosabb lehet, mint a jelenleg elérhető legjobb atomórák.

Bármely óra működésének központi eleme egy oszcillátor, amely állandó frekvencián ad jelet. Ez lehet egy inga kilengése vagy egy kvarckristály piezoelektromos rezgése. Ma a másodikat olyan órák határozzák meg, amelyek a céziumatomok által kibocsátott mikrohullámú sugárzás frekvenciáját használják. A még pontosabb atomórák az atomátmenetekből származó magasabb frekvenciájú fényt használják időjelek létrehozására. A mai legjobb óra pontossága jobb, mint egy rész a 10-hez¹⁸ – ami azt jelenti, hogy több mint 30 milliárd évre lenne szükség ahhoz, hogy az óra időmérője 1 s-nál nagyobb eltérést halmozzon fel.

Elvileg még pontosabb órákat lehetne készíteni magasabb frekvenciájú magátmenetekkel. A nukleáris órák további előnye az atomórákkal szemben, hogy az atommagok sokkal kompaktabbak és stabilabbak, mint az atomok. Ez azt jelenti, hogy egy nukleáris óra nem lenne annyira érzékeny a környező környezet zajára és interferenciáira.

Rezonancia szükséges

Azonban számos kihívással kell szembenézniük azoknak, akik nukleáris órákat próbálnak létrehozni. Ebbe beletartozik, hogy hogyan lehet koherens sugárzást előállítani, amely rezonancia a nukleáris átmenettel – ami az időjel előállításához szükséges. Az atomórában ez úgy történik, hogy egy maser vagy lézer frekvenciáját egy atomi átmenethez rögzítik.

„A fejlett röntgensugaras szabadelektron-lézerek (XFEL) elmúlt évtizedben történő megjelenésével az alternatív nukleáris óraoszcillátorok már elérhető közelségbe kerültek a közvetlen fotongerjesztéssel” – mondja Shvyd'ko. "A rendkívül szűk sávszélesség, 12.4 keV-os átmenet a Scandium-45-ben, hosszú, 0.47 s-os élettartamával a legígéretesebb."

Ez a rendkívül szűk sávszélesség azonban azt is jelenti, hogy az átmenettel rezonáló frekvenciák ablaka 10¹⁵ alkalommal szűkebb, mint a ma elérhető legmodernebb lézeres berendezések által előállított frekvenciák terjedése. „Ez azt jelenti, hogy a bejövő röntgensugárzásnak csak egy kis része képes rezonánsan gerjeszteni az atommagokat; a domináns off-rezonancia röntgensugarak csak óriási detektorzajt keltenek” – magyarázza Shvyd'ko.

Most Shvyd'ko és munkatársai találtak egy ígéretes utat ennek a zajproblémának a megkerülésére. Kísérleteiket a németországi Hamburghoz közeli európai XFEL létesítményben végezték, amely jelenleg a legmagasabb intenzitású röntgenfotonokat kínálja meghatározott frekvenciákra hangolva.

Cél eltávolítása

Kísérletük során röntgenimpulzusokat lőttek ki a szkandium-45 fóliacélpontjára. Miután egy impulzus elérte a célpontot, a célpontot gyorsan eltávolították a sugárvonalról egy közeli régióba, ahol a fotondetektorok voltak. Ez a nyalábvonaltól való elkülönítés lehetővé tette a csapat számára, hogy megmérje a rezonáns gerjesztés csillapítása által keltett apró jelet. Ezt a folyamatot megismételtük, miközben a beeső fényimpulzusok frekvenciáját letapogattuk, hogy megtaláljuk a pontos frekvenciát, amelyen a rezonancia fellép.

„Csak 93 nukleáris bomlási eseményt észleltek 10-re válaszul²⁰ közel rezonáns fotonok a szkandium-45 célpontra irányulnak” – magyarázza Shvyd'ko. "De a rendkívül alacsony detektorzaj miatt ez a szám elegendő volt a rezonancia észleléséhez, és lehetővé tette, hogy az átmenet energiáját a korábbi legjobb értéknél több mint két nagyságrenddel kisebb bizonytalansággal mérjék."

Nukleáris órák: miért hozza őket közelebb a valósághoz egy kísérlet a CERN-ben?

Ha ezt az átmenetet frekvenciaszabványként használjuk, a jövő nukleáris órája 1 milliárd évenként 300 másodpercen belül pontos maradhat – ez jelentősen javítja a legújabb atomórák pontosságát.

Mielőtt azonban ez lehetséges, további fejlesztésekre lesz szükség. „A következő kulcsfontosságú lépés a magokról koherensen szórt röntgensugárzás időfelbontású megfigyelése, amely felfedi a rezonancia tényleges spektrális szélességét” – magyarázza Shvyd'ko.

Ha sikerül leküzdeni a különféle kihívásokat, a technológia izgalmas következményekkel járhat az élvonalbeli kutatás számos területén. "A szkandium-45 rezonancia röntgengerjesztése és energiájának pontos mérése új utakat nyit meg az ultranagy pontosságú spektroszkópia, a nukleáris óra technológia és az extrém metrológia számára a nagyenergiájú röntgensugarak rendszerében" - mondja Shvyd' ko.

A kutatás leírása a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/