Резонансное возбуждение перехода ядерных часов обнаружено в XFEL – Мир физики

Важный шаг к созданию чрезвычайно точных часов на основе ядерного перехода был сделан международной командой физиков. Юрий Швыдько в Аргоннской национальной лаборатории в США и его коллеги добились резонансного возбуждения ядерного перехода в скандии-45. Этот переход можно использовать для создания ядерных часов, которые потенциально могут быть гораздо более точными, чем лучшие атомные часы, доступные сегодня.

Центральным элементом работы любых часов является генератор, который выдает сигнал постоянной частоты. Это может быть колебание маятника или пьезоэлектрическая вибрация кристалла кварца. Сегодня секунда определяется часами, использующими частоту микроволнового излучения, испускаемого атомами цезия. Еще более точные атомные часы используют высокочастотный свет атомных переходов для создания сигналов времени. Лучшие на сегодняшний день часы имеют точность лучше, чем одна часть из 10.¹⁸ – а это означает, что часам потребуется более 30 миллиардов лет, чтобы накопить отклонение более 1 с.

В принципе, еще более точные часы можно было бы создать, используя более высокочастотные ядерные переходы. Еще одним преимуществом ядерных часов перед атомными является то, что ядра гораздо более компактны и стабильны, чем атомы. Это означает, что ядерные часы не будут столь чувствительны к шуму и помехам окружающей среды.

Нужен резонанс

Однако перед теми, кто пытается создать ядерные часы, стоит множество проблем. Сюда входит и то, как создать когерентное излучение, резонансное ядерному переходу – то, что необходимо для создания сигнала времени. В атомных часах это делается путем привязки частоты мазера или лазера к атомному переходу.

«С появлением в последнее десятилетие усовершенствованных рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL) альтернативные генераторы ядерных часов теперь находятся в пределах досягаемости для прямого фотонного возбуждения», — говорит Швыдько. «Чрезвычайно узкая полоса пропускания, переход 12.4 кэВ в скандии-45 с его длительным временем жизни 0.47 с является наиболее многообещающим».

Однако эта чрезвычайно узкая полоса пропускания также означает, что окно частот, резонансных переходу, составляет 10¹⁵ раз уже, чем разброс частот, создаваемых даже самыми современными лазерными установками, доступными сегодня. «Это означает, что лишь небольшая часть поступающих рентгеновских лучей может резонансно возбудить ядра; доминирующие нерезонансные рентгеновские лучи просто создают огромный шум детектора», — объясняет Швыдько.

Теперь Швыдько и его коллеги нашли многообещающий способ решения этой проблемы шума. Их эксперименты проходили на европейской установке XFEL недалеко от Гамбурга в Германии, которая в настоящее время предлагает самую высокую интенсивность рентгеновских фотонов, настроенных на определенные частоты.

Удаление цели

Их эксперимент заключался в воздействии рентгеновских импульсов на мишень из фольги из скандия-45. После того, как импульс достиг цели, цель быстро удалялась из канала луча в близлежащую область, где были расположены детекторы фотонов. Эта изоляция от луча позволила команде измерить крошечный сигнал, возникающий в результате затухания резонансного возбуждения. Этот процесс повторялся по мере сканирования частоты падающих световых импульсов, чтобы определить точную частоту, на которой возникает резонанс.

«Только 93 события ядерного распада были обнаружены в ответ на 10²⁰ околорезонансные фотоны, направленные на мишень из скандия-45», — поясняет Швыдько. «Но из-за чрезвычайно низкого шума детектора этого числа было достаточно, чтобы обнаружить резонанс и позволить измерить энергию перехода с погрешностью, более чем на два порядка меньшей, чем предыдущее лучшее значение».

Ядерные часы: почему эксперимент в ЦЕРНе приближает их к реальности

Используя этот переход в качестве стандарта частоты, ядерные часы будущего смогут оставаться точными с точностью до 1 секунды каждые 300 миллиардов лет, что значительно улучшит точность новейших атомных часов.

Однако прежде чем это станет возможным, потребуются дальнейшие улучшения. «Следующим ключевым шагом является наблюдение с временным разрешением рентгеновских лучей, когерентно рассеянных ядрами, что позволило бы выявить фактическую спектральную ширину резонанса», — объясняет Швыдько.

Если удастся преодолеть различные проблемы, эта технология может иметь захватывающие последствия во многих областях передовых исследований. «Рентгеновское возбуждение резонанса скандия-45 и точное измерение его энергии открывают новые возможности для сверхточной спектроскопии, технологии ядерных часов и экстремальной метрологии в режиме высокоэнергетического рентгеновского излучения», — говорит Швыдь. ко.

Исследование описано в природа.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/