Resonančno vzbujanje prehoda jedrske ure, opaženo v XFEL – Physics World

Mednarodna ekipa fizikov je naredila pomemben korak k ustvarjanju izjemno natančne ure, ki temelji na jedrskem prehodu. Jurij Švidko v Nacionalnem laboratoriju Argonne v ZDA in sodelavci dosegli resonančno vzbujanje jedrskega prehoda v skandiju-45. Prehod bi lahko uporabili za ustvarjanje jedrske ure, ki bi lahko bila veliko natančnejša od najboljših atomskih ur, ki so danes na voljo.

Osrednji del delovanja vsake ure je oscilator, ki oddaja signal z enakomerno frekvenco. To je lahko nihanje nihala ali piezoelektrično nihanje kremenčevega kristala. Danes drugo definirajo ure, ki uporabljajo frekvenco mikrovalovnega sevanja, ki ga oddajajo atomi cezija. Še bolj natančne atomske ure uporabljajo visokofrekvenčno svetlobo iz atomskih prehodov za ustvarjanje časovnih signalov. Današnja najboljša ura je bolj natančna kot en del proti 10¹⁸ – kar pomeni, da bi trajalo več kot 30 milijard let, da bi merjenje časa nabralo odstopanje za več kot 1 s.

Načeloma bi bilo mogoče izdelati še natančnejše ure z uporabo visokofrekvenčnih jedrskih prehodov. Nadaljnja prednost jedrskih ur pred atomskimi urami je, da so jedra veliko bolj kompaktna in stabilna kot atomi. To pomeni, da jedrska ura ne bi bila tako dovzetna za hrup in motnje iz okolice.

Potrebna resonanca

Vendar se tisti, ki poskušajo izdelati jedrske ure, soočajo s številnimi izzivi. To vključuje, kako proizvesti koherentno sevanje, ki je resonančno z jedrskim prehodom – nekaj, kar je potrebno za proizvodnjo časovnega signala. Pri atomski uri se to naredi tako, da se frekvenca maserja ali laserja zaklene na atomski prehod.

»S pojavom naprednih rentgenskih laserjev s prostimi elektroni (XFEL) v zadnjem desetletju so alternativni oscilatorji z jedrsko uro zdaj dosegljivi za neposredno vzbujanje fotonov,« pravi Shvyd'ko. "Izredno ozka pasovna širina, 12.4 keV prehod v skandiju-45, z dolgo življenjsko dobo 0.47 s, je najbolj obetavna."

Vendar ta izjemno ozka pasovna širina pomeni tudi, da je okno frekvenc, ki so resonančne s prehodom, 10¹⁵ krat ožji od razpona frekvenc, ki jih proizvajajo celo najsodobnejše laserske naprave, ki so danes na voljo. »To pomeni, da lahko le majhen delež vhodnih rentgenskih žarkov resonančno vzbudi jedra; prevladujoči neresonančni rentgenski žarki samo ustvarjajo ogromen šum detektorja,« pojasnjuje Shvyd'ko.

Zdaj so Shvyd'ko in sodelavci našli obetaven način, da se izognejo temu problemu hrupa. Njihovi poskusi so potekali v evropskem objektu XFEL blizu Hamburga v Nemčiji, ki trenutno ponuja najvišjo intenzivnost rentgenskih fotonov, nastavljenih na določene frekvence.

Odstranitev tarče

Njihov eksperiment je vključeval izstrelitev rentgenskih impulzov na tarčo folije iz skandija-45. Ko je impulz zadel tarčo, je bila tarča hitro odstranjena iz žarkovne črte v bližnjo regijo, kjer so bili detektorji fotonov. Ta izolacija od žarkovne linije je ekipi omogočila merjenje drobnega signala, ki nastane zaradi razpada resonančnega vzbujanja. Ta postopek je bil ponovljen, ko je bila skenirana frekvenca vpadnih svetlobnih impulzov, da bi našli natančno frekvenco, pri kateri se pojavi resonanca.

»Samo 93 jedrskih razpadov je bilo zaznanih kot odgovor na 10²⁰ skoraj resonančni fotoni, usmerjeni na tarčo skandija-45,« pojasnjuje Shvyd'ko. "Toda zaradi izjemno nizkega šuma detektorja je bilo to število dovolj za zaznavanje resonance in omogočanje merjenja energije prehoda z negotovostjo, ki je več kot dva reda velikosti manjša od prejšnje najboljše vrednosti."

Jedrske ure: zakaj jih poskus v CERN-u približa resničnosti

Z uporabo tega prehoda kot frekvenčnega standarda bi lahko jedrska ura prihodnosti ostala natančna do 1 s vsakih 300 milijard let – kar bi močno izboljšalo natančnost najnovejših atomskih ur.

Preden pa bo to mogoče, bodo potrebne nadaljnje izboljšave. "Ključni naslednji korak je časovno ločeno opazovanje rentgenskih žarkov, koherentno razpršenih od jeder, kar bi razkrilo dejansko spektralno širino resonance," pojasnjuje Shvyd'ko.

Če je mogoče premagati različne izzive, bi lahko imela tehnologija vznemirljive posledice na številnih področjih najsodobnejših raziskav. "Vzbujanje resonance skandij-45 z rentgenskimi žarki in natančno merjenje njegove energije odpirata nove poti za ultravisoko natančno spektroskopijo, tehnologijo jedrske ure in ekstremno meroslovje v režimu visokoenergijskih rentgenskih žarkov," pravi Shvyd' ko.

Raziskava je opisana v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/