Excitația rezonantă a tranziției ceasului nuclear observată la XFEL – Physics World

Un pas important spre crearea unui ceas extrem de precis bazat pe o tranziție nucleară a fost făcut de o echipă internațională de fizicieni. Yuri Shvyd'ko la Laboratorul Național Argonne din SUA și colegii săi au obținut excitația rezonantă a unei tranziții nucleare în scandiu-45. Tranziția ar putea fi folosită pentru a crea un ceas nuclear cu potențialul de a fi mult mai precis decât cele mai bune ceasuri atomice disponibile astăzi.

Central pentru funcționarea oricărui ceas este un oscilator care furnizează un semnal la o frecvență constantă. Aceasta ar putea fi oscilația unui pendul sau vibrația piezoelectrică a unui cristal de cuarț. Astăzi, al doilea este definit de ceasuri care utilizează frecvența radiației cu microunde care este emisă de atomii de cesiu. Ceasurile atomice și mai precise folosesc lumină de frecvență mai mare de la tranzițiile atomice pentru a crea semnale de timp. Cel mai bun ceas de astăzi are o precizie mai bună decât o parte din 10¹⁸ – ceea ce înseamnă că ar dura peste 30 de miliarde de ani pentru ca cronometrarea ceasului să acumuleze o abatere de mai mult de 1 s.

În principiu, ceasuri și mai precise ar putea fi realizate folosind tranziții nucleare de frecvență mai mare. Un alt beneficiu al ceasurilor nucleare față de ceasurile atomice este că nucleele sunt mult mai compacte și mai stabile decât atomii. Aceasta înseamnă că un ceas nuclear nu ar fi la fel de susceptibil la zgomot și interferențe din mediul înconjurător.

Este nevoie de rezonanță

Cu toate acestea, există multe provocări cu care se confruntă cei care încearcă să creeze ceasuri nucleare. Aceasta include modul de a produce radiații coerente care rezonează cu o tranziție nucleară - ceva care este necesar pentru a produce un semnal de timp. Într-un ceas atomic, acest lucru se face prin blocarea frecvenței unui maser sau laser la o tranziție atomică.

„Odată cu apariția laserelor cu electroni liberi cu raze X (XFEL) avansate în ultimul deceniu sau cam asa ceva, oscilatoarele alternative de ceas nuclear sunt acum la îndemâna excitației directe a fotonului”, spune Shvyd'ko. „Lățimea de bandă extrem de îngustă, tranziția de 12.4 keV în scandiu-45, cu durata de viață lungă de 0.47 s, este cea mai promițătoare.”

Cu toate acestea, această lățime de bandă extrem de îngustă înseamnă și că fereastra de frecvențe care rezonează cu tranziția este de 10¹⁵ de ori mai îngustă decât răspândirea frecvențelor produse chiar și de cele mai de ultimă oră instalații laser disponibile în prezent. „Aceasta înseamnă că doar o mică parte din razele X primite pot excita rezonant nucleele; razele X dominante fără rezonanță creează un zgomot enorm de detector”, explică Shvyd'ko.

Acum, Shvyd'ko și colegii au găsit o modalitate promițătoare de a rezolva această problemă de zgomot. Experimentele lor au avut loc la instalația europeană XFEL din apropiere de Hamburg, Germania, care oferă în prezent cea mai mare intensitate de fotoni de raze X reglați la frecvențe specifice.

Îndepărtarea țintei

Experimentul lor a implicat tragerea de impulsuri de raze X către o țintă din folie de scandiu-45. După ce un puls lovește ținta, ținta a fost îndepărtată rapid de pe linia fasciculului într-o regiune din apropiere unde erau localizați detectorii de fotoni. Această izolație de linia fasciculului a permis echipei să măsoare semnalul mic produs de decăderea excitației rezonante. Acest proces a fost repetat pe măsură ce frecvența impulsurilor de lumină incidentă a fost scanată pentru a găsi frecvența exactă la care are loc rezonanța.

„Doar 93 de evenimente de dezintegrare nucleară au fost detectate ca răspuns la 10²⁰ fotoni aproape rezonanți direcționați către ținta scandiu-45”, explică Shvyd'ko. „Dar din cauza zgomotului extrem de scăzut al detectorului, acest număr a fost suficient pentru a detecta rezonanța și a permite ca energia tranziției să fie măsurată cu o incertitudine cu mai mult de două ordine de mărime mai mică decât cea mai bună valoare anterioară.”

Ceasuri nucleare: de ce un experiment la CERN le aduce mai aproape de realitate

Folosind această tranziție ca standard de frecvență, un ceas nuclear al viitorului ar putea rămâne precis cu 1 s la fiecare 300 de miliarde de ani - îmbunătățind considerabil precizia celor mai recente ceasuri atomice.

Înainte ca acest lucru să fie posibil, totuși, vor fi necesare îmbunătățiri suplimentare. „Un următor pas cheie este observarea în timp a razelor X împrăștiate în mod coerent de pe nuclee, care ar dezvălui lățimea spectrală reală a rezonanței”, explică Shvyd'ko.

Dacă diferite provocări pot fi depășite, tehnologia ar putea avea implicații interesante în multe domenii ale cercetării de ultimă oră. „Excitația cu raze X a rezonanței scandiu-45 și măsurarea precisă a energiei sale deschid noi căi pentru spectroscopie de ultraînaltă precizie, tehnologia ceasului nuclear și metrologie extremă în regimul razelor X de înaltă energie”, spune Shvyd' ko.

Cercetarea este descrisă în Natură.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/