עירור תהודה של מעבר שעון גרעיני נצפתה ב-XFEL - עולם הפיזיקה

צעד חשוב לקראת יצירת שעון מדויק ביותר המבוסס על מעבר גרעיני נעשה על ידי צוות בינלאומי של פיזיקאים. יורי שבידקו במעבדה הלאומית של Argonne בארה"ב ועמיתיו השיגו את ההתרגשות המהדהדת של מעבר גרעיני בסקנדיום-45. המעבר יכול לשמש ליצירת שעון גרעיני עם פוטנציאל להיות הרבה יותר מדויק מהשעונים האטומיים הטובים ביותר הקיימים כיום.

מרכזי בפעולת כל שעון הוא מתנד המספק אות בתדר קבוע. זה יכול להיות נדנוד של מטוטלת או רטט פיזואלקטרי של גביש קוורץ. כיום, השני מוגדר על ידי שעונים המשתמשים בתדר של קרינת מיקרוגל הנפלטת מאטומי צזיום. אפילו שעונים אטומיים מדויקים יותר משתמשים באור בתדר גבוה יותר ממעברים אטומיים כדי ליצור אותות זמן. השעון הטוב ביותר של היום מדויק עד טוב יותר מחלק אחד מתוך 10¹⁸ - מה שאומר שייקח יותר מ-30 מיליארד שנה עד שמצבור הזמן של השעון יצבור סטייה של יותר משנייה אחת.

באופן עקרוני, ניתן ליצור שעונים מדויקים אפילו יותר באמצעות מעברים גרעיניים בתדירות גבוהה יותר. יתרון נוסף של שעונים גרעיניים על פני שעונים אטומיים הוא שהגרעינים הם הרבה יותר קומפקטיים ויציבים מאטומים. המשמעות היא ששעון גרעיני לא יהיה רגיש באותה מידה לרעש והפרעות מהסביבה הסובבת.

דרושה תהודה

עם זאת, ישנם אתגרים רבים העומדים בפני אלו המנסים ליצור שעונים גרעיניים. זה כולל איך לייצר קרינה קוהרנטית המהדהדת עם מעבר גרעיני - משהו שדרוש להפקת אות זמן. בשעון אטומי זה נעשה על ידי נעילת התדר של מאסר או לייזר למעבר אטומי.

"עם הופעתם של לייזרים מתקדמים של רנטגן חופשי-אלקטרון (XFEL) בעשור האחרון לערך, מתנדים חלופיים של שעון גרעיני נמצאים כעת בהישג יד של עירור פוטון ישיר", אומר Shvyd'ko. "רוחב הפס הצר ביותר, מעבר של 12.4 keV בסקנדיום-45, עם אורך החיים הארוך שלו של 0.47 שניות, הוא המבטיח ביותר."

עם זאת, רוחב הפס הצר ביותר הזה אומר גם שחלון התדרים המהדהדים עם המעבר הוא 10¹⁵ מצומצם פי כמה מהתפשטות התדרים המופקים אפילו על ידי מתקני הלייזר החדישים ביותר הקיימים כיום. "משמעות הדבר היא שרק חלק זעיר מקרני הרנטגן הנכנסות יכול לעורר תהודה את הגרעינים; קרני הרנטגן הדומיננטיות מחוץ לתהודה פשוט יוצרות רעש גלאי עצום", מסביר שווידקו.

כעת, שווידקו ועמיתיו מצאו דרך מבטיחה לעקוף את בעיית הרעש הזו. הניסויים שלהם התקיימו במתקן ה-XFEL האירופי הקרוב להמבורג בגרמניה, שמציע כיום את העוצמה הגבוהה ביותר של פוטוני רנטגן המכוונים לתדרים ספציפיים.

הסרת יעד

הניסוי שלהם כלל ירי פולסי רנטגן לעבר מטרת רדיד של סקנדיום-45. לאחר שדופק פוגע במטרה, המטרה הוסרה במהירות מקו הקרן לאזור סמוך בו אותרו גלאי הפוטונים. בידוד זה מקו הקרן אפשר לצוות למדוד את האות הזעיר שהופק כתוצאה מהדעיכה של עירור התהודה. תהליך זה חזר על עצמו כאשר תדירות פעימות האור המתרחשות נסרקה על מנת למצוא את התדירות המדויקת שבה מתרחשת התהודה.

"רק 93 אירועי ריקבון גרעיני זוהו בתגובה ל-10²⁰ פוטונים כמעט בעלי תהודה מכוונים למטרה סקנדיום-45", מסביר שווידקו. "אבל בגלל רעש הגלאי הנמוך ביותר, המספר הזה הספיק כדי לזהות את התהודה ולאפשר למדוד את אנרגיית המעבר עם אי ודאות שקטנה יותר משני סדרי גודל מהערך הטוב ביותר הקודם."

שעונים גרעיניים: מדוע ניסוי ב-CERN מקרב אותם למציאות

על ידי שימוש במעבר זה כסטנדרט תדר, שעון גרעיני של העתיד יכול להישאר מדויק עד תוך 1 שניה כל 300 מיליארד שנה - תוך שיפור ניכר ברמת הדיוק של השעונים האטומיים העדכניים ביותר.

אולם לפני שזה אפשרי, יהיה צורך בשיפורים נוספים. "השלב הבא הוא התצפית שנפתרה בזמן בקרני רנטגן המפוזרות באופן קוהרנטי מהגרעינים, אשר תחשוף את הרוחב הספקטרלי האמיתי של התהודה", מסביר שווידקו.

אם ניתן להתגבר על אתגרים שונים, לטכנולוגיה עשויות להיות השלכות מרגשות בתחומים רבים של מחקר חדשני. "עירור קרני הרנטגן של תהודה סקנדיום-45 והמדידה המדויקת של האנרגיה שלה פותחים אפיקים חדשים לספקטרוסקופיה ברמת דיוק גבוהה, טכנולוגיית שעון גרעיני ומטרולוגיה קיצונית במשטר של קרני רנטגן באנרגיה גבוהה", אומר שוויד. קו.

המחקר מתואר ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/