XFELで発見された核時計遷移の共鳴励起 – Physics World

核転移に基づいた極めて正確な時計の作成に向けた重要な一歩が、物理学者の国際チームによって踏み出されました。 ユーリ・シュビドコ 米国のアルゴンヌ国立研究所のDr.らは、スカンジウム45の核転移の共鳴励起を達成した。 この移行を利用して、現在利用可能な最高の原子時計よりもはるかに正確な可能性のある核時計を作成することができます。

クロックの動作の中心となるのは、安定した周波数で信号を送信する発振器です。 これは、振り子の揺れや水晶の圧電振動である可能性があります。 現在、10 番目の時計は、セシウム原子から放出されるマイクロ波放射の周波数を使用する時計によって定義されています。 さらに正確な原子時計は、原子遷移からの高周波光を使用して時間信号を作成します。 今日の最高の時計は XNUMX 分の XNUMX よりも正確です¹⁸ – これは、時計の計時が 30 秒を超える誤差を蓄積するには 1 億年以上かかることを意味します。

原理的には、より高い周波数の核遷移を使用すると、さらに正確な時計を作成できます。 原子時計に対する核時計のさらなる利点は、原子核が原子よりもはるかにコンパクトで安定していることです。 これは、核時計が周囲環境からのノイズや干渉の影響をそれほど受けにくいことを意味します。

共鳴が必要

しかし、核時計を作ろうとする人々は多くの課題に直面しています。 これには、核遷移に共鳴するコヒーレント放射（時間信号を生成するために必要なもの）を生成する方法が含まれます。 原子時計では、これはメーザーまたはレーザーの周波数を原子遷移にロックすることによって行われます。

「過去 12.4 年ほどで先進的な X 線自由電子レーザー (XFEL) が出現したことにより、代替の核時計発振器が直接光子励起の範囲内に到達しました」とシュヴィドコ氏は言います。 「非常に狭い帯域幅であるスカンジウム 45 の 0.47 keV 遷移は、XNUMX 秒という長い寿命を備えており、最も有望です。」

ただし、この非常に狭い帯域幅は、遷移に共鳴する周波数のウィンドウが 10 であることも意味します。¹⁵ 現在利用可能な最先端のレーザー設備でさえ生成される周波数の広がりよりも XNUMX 倍狭いです。 「これは、入ってくる X 線のほんの一部だけが原子核を共鳴励起できることを意味します。 支配的なオフレゾナンス X 線は、巨大な検出器ノイズを生み出すだけです」と Shvyd'ko 氏は説明します。

現在、Shvyd'ko らはこの騒音問題を回避する有望な方法を見つけました。 彼らの実験は、ドイツのハンブルクに近いヨーロッパの XFEL 施設で行われました。この施設は現在、特定の周波数に調整された最高強度の X 線光子を提供しています。

ターゲットの除去

彼らの実験には、スカンジウム 45 の箔ターゲットに X 線パルスを照射することが含まれていました。 パルスがターゲットに到達した後、ターゲットはビームラインから光子検出器が設置されている近くの領域に素早く移動されました。 このビームラインからの隔離により、チームは共鳴励起の減衰によって生成される小さな信号を測定できるようになりました。 共振が発生する正確な周波数を見つけるために、入射光パルスの周波数をスキャンしながらこのプロセスを繰り返しました。

「93回の反応に対して、10回の核崩壊事象しか検出されなかった」²⁰ スカンジウム-45ターゲットに向けられた近共鳴光子です」とShvyd'ko氏は説明する。 「しかし、検出器のノイズが非常に低いため、この数値は共振を検出するのに十分であり、以前の最良の値よりも XNUMX 桁以上小さい不確実性で遷移のエネルギーを測定できるようになりました。」

核時計: CERN での実験が核時計を現実に近づける理由

この遷移を周波数標準として使用することで、将来の核時計は 1 億年ごとに 300 秒以内の精度を維持できるようになり、最新の原子時計の精度が大幅に向上します。

ただし、それが可能になる前に、さらなる改善が必要です。 「次の重要なステップは、原子核からコヒーレントに散乱されたX線の時間分解観察であり、これにより共鳴の実際のスペクトル幅が明らかになるでしょう」とShvyd'ko氏は説明する。

さまざまな課題を克服できれば、この技術は最先端の研究の多くの分野に刺激的な影響を与える可能性があります。 「スカンジウム 45 共鳴の X 線励起とそのエネルギーの正確な測定は、高エネルギー X 線の領域における超高精度分光法、核時計技術、および極限計測に新たな道を切り開きます」とシュヴィド氏は述べています。こ。

研究はで説明されています 自然.

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