Eccitazione risonante della transizione dell'orologio nucleare avvistata a XFEL - Physics World

Un team internazionale di fisici ha compiuto un passo importante verso la creazione di un orologio estremamente preciso basato sulla transizione nucleare. Yuri Shvyd'ko presso l'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti e colleghi hanno ottenuto l'eccitazione risonante di una transizione nucleare nello scandio-45. La transizione potrebbe essere utilizzata per creare un orologio nucleare con il potenziale per essere molto più preciso dei migliori orologi atomici oggi disponibili.

Al centro del funzionamento di qualsiasi orologio c'è un oscillatore che fornisce un segnale a una frequenza costante. Potrebbe trattarsi dell'oscillazione di un pendolo o della vibrazione piezoelettrica di un cristallo di quarzo. Oggi il secondo è definito da orologi che utilizzano la frequenza della radiazione a microonde emessa dagli atomi di cesio. Orologi atomici ancora più accurati utilizzano la luce a frequenza più elevata proveniente dalle transizioni atomiche per creare segnali orari. Il miglior orologio di oggi ha una precisione migliore di una parte su 10¹⁸ – il che significa che occorrerebbero più di 30 miliardi di anni affinché la misurazione del tempo dell'orologio accumuli una deviazione superiore a 1 s.

In linea di principio, si potrebbero realizzare orologi ancora più accurati utilizzando transizioni nucleari a frequenza più elevata. Un ulteriore vantaggio degli orologi nucleari rispetto agli orologi atomici è che i nuclei sono molto più compatti e stabili degli atomi. Ciò significa che un orologio nucleare non sarebbe così suscettibile al rumore e alle interferenze provenienti dall’ambiente circostante.

Necessaria risonanza

Tuttavia, ci sono molte sfide che devono affrontare coloro che cercano di creare orologi nucleari. Ciò include come produrre una radiazione coerente che sia in risonanza con una transizione nucleare, qualcosa che è necessario per produrre un segnale temporale. In un orologio atomico ciò avviene bloccando la frequenza di un maser o di un laser su una transizione atomica.

"Con l'avvento degli avanzati laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) negli ultimi dieci anni circa, gli oscillatori nucleari alternativi sono ora alla portata dell'eccitazione diretta dei fotoni", afferma Shvyd'ko. “La larghezza di banda estremamente stretta, la transizione di 12.4 keV nello scandio-45, con la sua lunga durata di 0.47 s, è la più promettente”.

Tuttavia, questa larghezza di banda estremamente ridotta significa anche che la finestra delle frequenze che sono in risonanza con la transizione è 10¹⁵ volte più ristretto rispetto alla diffusione delle frequenze prodotte anche dagli impianti laser più all’avanguardia oggi disponibili. “Ciò significa che solo una piccola percentuale dei raggi X in arrivo può eccitare in modo risonante i nuclei; i raggi X dominanti fuori risonanza creano semplicemente un enorme rumore nel rivelatore”, spiega Shvyd'ko.

Ora, Shvyd'ko e colleghi hanno trovato un modo promettente per aggirare questo problema del rumore. I loro esperimenti si sono svolti presso la struttura europea XFEL vicino ad Amburgo in Germania, che attualmente offre la massima intensità di fotoni di raggi X sintonizzati su frequenze specifiche.

Rimozione del bersaglio

Il loro esperimento prevedeva l'emissione di impulsi di raggi X su un bersaglio di lamina di scandio-45. Dopo che un impulso ha colpito il bersaglio, il bersaglio è stato rapidamente rimosso dalla linea di luce in una regione vicina dove si trovavano i rilevatori di fotoni. Questo isolamento dalla linea di luce ha permesso al team di misurare il minuscolo segnale prodotto dal decadimento dell'eccitazione risonante. Questo processo è stato ripetuto analizzando la frequenza degli impulsi luminosi incidenti per trovare la frequenza esatta alla quale si verifica la risonanza.

“Sono stati rilevati solo 93 eventi di decadimento nucleare in risposta a 10²⁰ fotoni quasi risonanti diretti al bersaglio dello scandio-45”, spiega Shvyd'ko. “Ma a causa del rumore estremamente basso del rivelatore, questo numero è stato sufficiente per rilevare la risonanza e consentire di misurare l’energia della transizione con un’incertezza inferiore di oltre due ordini di grandezza rispetto al miglior valore precedente”.

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Utilizzando questa transizione come standard di frequenza, l’orologio nucleare del futuro potrebbe rimanere accurato entro 1 s ogni 300 miliardi di anni, migliorando notevolmente la precisione degli ultimi orologi atomici.

Prima che ciò sia possibile, però, saranno necessari ulteriori miglioramenti. "Un passo successivo fondamentale è l'osservazione risolta nel tempo dei raggi X sparsi in modo coerente dai nuclei, che rivelerebbe l'effettiva larghezza spettrale della risonanza", spiega Shvyd'ko.

Se si riuscissero a superare diverse sfide, la tecnologia potrebbe avere implicazioni interessanti in molti campi della ricerca all’avanguardia. "L'eccitazione dei raggi X della risonanza dello scandio-45 e la misurazione accurata della sua energia aprono nuove strade per la spettroscopia ad altissima precisione, la tecnologia dell'orologio nucleare e la metrologia estrema nel regime dei raggi X ad alta energia", afferma Shvyd' ko.

La ricerca è descritta in Natura.

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