Resonant excitation av nukleär klockövergång upptäckt vid XFEL – Physics World

Ett viktigt steg mot att skapa en extremt exakt klocka baserad på en kärnkraftsövergång har tagits av ett internationellt team av fysiker. Yuri Shvyd'ko vid Argonne National Laboratory i USA och kollegor har uppnått resonansexcitationen av en nukleär övergång i scandium-45. Övergången skulle kunna användas för att skapa en kärnklocka med potential att vara mycket mer exakt än de bästa atomur som finns tillgängliga idag.

Centralt för driften av varje klocka är en oscillator som levererar en signal med en jämn frekvens. Detta kan vara svängningen av en pendel eller den piezoelektriska vibrationen av en kvartskristall. Idag definieras den andra av klockor som använder frekvensen av mikrovågsstrålning som sänds ut från cesiumatomer. Ännu mer exakta atomklockor använder högfrekvent ljus från atomövergångar för att skapa tidssignaler. Dagens bästa klocka är bättre än en del av 10¹⁸ – vilket innebär att det skulle ta över 30 miljarder år för klockans tidtagning att ackumulera en avvikelse på mer än 1 s.

I princip skulle ännu mer exakta klockor kunna göras med hjälp av högre frekvens kärnkraftsövergångar. En ytterligare fördel med kärnklockor jämfört med atomklockor är att kärnor är mycket mer kompakta och stabila än atomer. Det betyder att en kärnklocka inte skulle vara lika känslig för buller och störningar från den omgivande miljön.

Resonans behövs

Men det finns många utmaningar för dem som försöker skapa kärnkraftsklockor. Detta inkluderar hur man producerar koherent strålning som är resonant med en nukleär övergång – något som behövs för att producera en tidssignal. I en atomklocka görs detta genom att låsa frekvensen för en maser eller laser till en atomövergång.

"Med tillkomsten av avancerade röntgenfrielektronlasrar (XFEL) under det senaste decenniet eller så, är alternativa kärnklockoscillatorer nu inom räckhåll för direkt fotonexcitation", säger Shvyd'ko. "Den extremt smala bandbredden, 12.4 keV-övergången i scandium-45, med sin långa livslängd på 0.47 s, är den mest lovande."

Men denna extremt smala bandbredd innebär också att fönstret för frekvenser som är resonanta med övergången är 10¹⁵ gånger mindre än spridningen av frekvenser som produceras även av de mest banbrytande laseranläggningar som finns tillgängliga idag. "Detta betyder att endast en liten del av de inkommande röntgenstrålarna kan excitera kärnorna med resonans; den dominerande offresonansröntgenstrålningen skapar bara enorma detektorljud”, förklarar Shvyd'ko.

Nu har Shvyd'ko och kollegor hittat en lovande väg kring detta bullerproblem. Deras experiment ägde rum på den europeiska XFEL-anläggningen nära Hamburg i Tyskland, som för närvarande erbjuder den högsta intensiteten av röntgenfotoner inställda på specifika frekvenser.

Tar bort mål

Deras experiment involverade att avfyra röntgenpulser mot ett foliemål av scandium-45. Efter att en puls träffat målet avlägsnades målet snabbt från strållinjen till ett närliggande område där fotondetektorerna var placerade. Denna isolering från strållinjen gjorde det möjligt för teamet att mäta den lilla signalen som produceras av sönderfallet av resonansexcitationen. Denna process upprepades när frekvensen av de infallande ljuspulserna skannades för att hitta den exakta frekvensen vid vilken resonansen inträffar.

"Endast 93 nukleära sönderfallshändelser upptäcktes som svar på 10²⁰ nästan resonanta fotoner riktade mot scandium-45-målet”, förklarar Shvyd'ko. "Men på grund av det extremt låga detektorbruset räckte detta nummer för att detektera resonansen och tillåta att energin för övergången mäts med en osäkerhet som är mer än två storleksordningar mindre än det tidigare bästa värdet."

Kärnkraftsklockor: varför ett experiment vid CERN för dem närmare verkligheten

Genom att använda denna övergång som en frekvensstandard kan framtidens kärnklocka hålla sig exakt till inom 1 s vart 300:e miljarder år – vilket avsevärt förbättras jämfört med precisionen hos de senaste atomur.

Innan det är möjligt kommer dock ytterligare förbättringar att behövas. "Ett viktigt nästa steg är den tidsupplösta observationen av röntgenstrålar som är sammanhängande spridda från kärnorna, vilket skulle avslöja resonansens faktiska spektrala bredd", förklarar Shvyd'ko.

Om olika utmaningar kan övervinnas kan tekniken få spännande implikationer inom många områden av spetsforskning. "Röntgenexcitationen av scandium-45-resonansen och den exakta mätningen av dess energi öppnar nya vägar för ultrahögprecisionsspektroskopi, kärnklockteknik och extrem metrologi i regimen för högenergiröntgenstrålar", säger Shvyd' ko.

Forskningen beskrivs i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/