Resonant eksitasjon av kjernefysisk klokkeovergang oppdaget ved XFEL – Physics World

Et viktig skritt mot å skape en ekstremt nøyaktig klokke basert på en kjernefysisk overgang er tatt av et internasjonalt team av fysikere. Yuri Shvyd'ko ved Argonne National Laboratory i USA og kolleger har oppnådd den resonante eksitasjonen av en kjernefysisk overgang i scandium-45. Overgangen kan brukes til å lage en kjernefysisk klokke med potensial til å være mye mer nøyaktig enn de beste atomklokkene som er tilgjengelige i dag.

Sentralt i driften av enhver klokke er en oscillator som leverer et signal med en jevn frekvens. Dette kan være svingningen av en pendel eller den piezoelektriske vibrasjonen av en kvartskrystall. I dag er den andre definert av klokker som bruker frekvensen til mikrobølgestråling som sendes ut fra cesiumatomer. Enda mer nøyaktige atomklokker bruker høyere frekvens lys fra atomoverganger for å lage tidssignaler. Dagens beste klokke er nøyaktig til bedre enn én del av 10¹⁸ – som betyr at det vil ta over 30 milliarder år for klokkens tidtaking å akkumulere et avvik på mer enn 1 s.

I prinsippet kan enda mer nøyaktige klokker lages ved å bruke høyere frekvens kjernefysiske overganger. En ytterligere fordel med kjernefysiske klokker fremfor atomklokker er at kjernene er mye mer kompakte og stabile enn atomer. Dette betyr at en kjernefysisk klokke ikke ville være like utsatt for støy og forstyrrelser fra omgivelsene.

Resonans nødvendig

Imidlertid er det mange utfordringer for de som prøver å lage kjernefysiske klokker. Dette inkluderer hvordan man produserer koherent stråling som er resonans med en kjernefysisk overgang - noe som er nødvendig for å produsere et tidssignal. I en atomklokke gjøres dette ved å låse frekvensen til en maser eller laser til en atomovergang.

"Med fremkomsten av avanserte røntgenfrielektronlasere (XFEL) i løpet av det siste tiåret eller så, er alternative kjernefysiske klokkeoscillatorer nå innen rekkevidde for direkte fotoneksitasjon," sier Shvyd'ko. "Den ekstremt smale båndbredden, 12.4 keV-overgangen i scandium-45, med sin lange levetid på 0.47 s, er den mest lovende."

Imidlertid betyr denne ekstremt smale båndbredden også at vinduet med frekvenser som er resonans med overgangen er 10¹⁵ ganger smalere enn spredningen av frekvenser produsert selv av de mest banebrytende laseranleggene som er tilgjengelige i dag. «Dette betyr at bare en liten andel av de innkommende røntgenstrålene kan eksitere kjernene med resonans; de dominerende off-resonans røntgenstrålene skaper bare enorm detektorstøy,” forklarer Shvyd'ko.

Nå har Shvyd'ko og kollegene funnet en lovende vei rundt dette støyproblemet. Eksperimentene deres fant sted ved det europeiske XFEL-anlegget nær Hamburg i Tyskland, som for tiden tilbyr den høyeste intensiteten av røntgenfotoner innstilt på spesifikke frekvenser.

Fjerning av mål

Eksperimentet deres innebar å skyte røntgenpulser mot et foliemål av scandium-45. Etter at en puls traff målet, ble målet raskt fjernet fra strålelinjen til et nærliggende område hvor fotondetektorene var lokalisert. Denne isolasjonen fra strålelinjen tillot teamet å måle det lille signalet produsert av forfallet av resonanseksitasjonen. Denne prosessen ble gjentatt ettersom frekvensen av de innfallende lyspulsene ble skannet for å finne den nøyaktige frekvensen som resonansen oppstår ved.

"Bare 93 hendelser med kjernefysisk forfall ble oppdaget som svar på 10²⁰ nesten-resonante fotoner rettet mot scandium-45-målet,” forklarer Shvyd'ko. "Men på grunn av den ekstremt lave detektorstøyen, var dette tallet nok til å oppdage resonansen og tillate at energien til overgangen kan måles med en usikkerhet som er mer enn to størrelsesordener mindre enn den forrige beste verdien."

Atomklokker: hvorfor et eksperiment ved CERN bringer dem nærmere virkeligheten

Ved å bruke denne overgangen som en frekvensstandard, kan fremtidens kjernefysiske klokke holde seg nøyaktig til innen 1 s hvert 300 milliarder år – noe som gir en betydelig forbedring i forhold til presisjonen til de siste atomklokkene.

Før det er mulig, vil det imidlertid være behov for ytterligere forbedringer. "Et viktig neste skritt er den tidsløste observasjonen av røntgenstråler som er sammenhengende spredt utenfor kjernene, som vil avsløre den faktiske spektrale bredden av resonansen," forklarer Shvyd'ko.

Hvis ulike utfordringer kan overvinnes, kan teknologien få spennende implikasjoner innen mange felt av banebrytende forskning. "Røntgeneksitasjonen av scandium-45-resonansen og den nøyaktige målingen av energien åpner nye veier for ultrahøypresisjonsspektroskopi, kjernefysisk klokketeknologi og ekstrem metrologi i regimet med høyenergirøntgenstråler," sier Shvyd' ko.

Forskningen er beskrevet i Natur.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/