การกระตุ้นเรโซแนนซ์ของการเปลี่ยนสัญญาณนาฬิกานิวเคลียร์พบได้ที่ XFEL - Physics World

ขั้นตอนสำคัญในการสร้างนาฬิกาที่แม่นยำอย่างยิ่งโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ได้ดำเนินการโดยทีมนักฟิสิกส์นานาชาติ ยูริ ชวิดโก ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ในสหรัฐอเมริกาและเพื่อนร่วมงานประสบความสำเร็จในการกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ในสแกนเดียม-45 การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถนำไปใช้เพื่อสร้างนาฬิกานิวเคลียร์ที่มีศักยภาพที่จะแม่นยำมากขึ้นกว่านาฬิกาอะตอมที่ดีที่สุดในปัจจุบัน

หัวใจสำคัญของการทำงานของนาฬิกาคือออสซิลเลเตอร์ที่ส่งสัญญาณที่ความถี่คงที่ นี่อาจเป็นการแกว่งของลูกตุ้มหรือการสั่นแบบเพียโซอิเล็กทริกของคริสตัลควอตซ์ วันนี้วินาทีถูกกำหนดโดยนาฬิกาที่ใช้ความถี่ของการแผ่รังสีไมโครเวฟที่ปล่อยออกมาจากอะตอมซีเซียม นาฬิกาอะตอมที่แม่นยำยิ่งกว่านั้นยังใช้แสงความถี่สูงกว่าจากการเปลี่ยนผ่านของอะตอมเพื่อสร้างสัญญาณเวลา นาฬิกาที่ดีที่สุดของวันนี้แม่นยำเกินกว่าหนึ่งใน 10¹⁸ – ซึ่งหมายความว่าต้องใช้เวลามากกว่า 30 หมื่นล้านปีในการบอกเวลาของนาฬิกาจึงจะสะสมค่าเบี่ยงเบนมากกว่า 1 วินาที

โดยหลักการแล้ว นาฬิกาที่แม่นยำยิ่งขึ้นก็สามารถทำได้โดยใช้การเปลี่ยนผ่านนิวเคลียร์ความถี่สูง ข้อดีอีกประการหนึ่งของนาฬิกานิวเคลียร์เหนือนาฬิกาอะตอมก็คือนิวเคลียสมีขนาดกะทัดรัดและเสถียรมากกว่าอะตอมมาก ซึ่งหมายความว่านาฬิกานิวเคลียร์จะไม่ไวต่อเสียงและการรบกวนจากสภาพแวดล้อมโดยรอบ

จำเป็นต้องมีเสียงสะท้อน

อย่างไรก็ตาม มีความท้าทายมากมายที่ผู้ที่พยายามสร้างนาฬิกานิวเคลียร์ต้องเผชิญ ซึ่งรวมถึงวิธีสร้างรังสีที่สอดคล้องกันซึ่งสะท้อนกับการเปลี่ยนผ่านของนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นในการสร้างสัญญาณเวลา ในนาฬิกาอะตอม ทำได้โดยการล็อคความถี่ของเมเซอร์หรือเลเซอร์ให้เป็นการเปลี่ยนผ่านของอะตอม

“ด้วยการกำเนิดของเลเซอร์เอ็กซ์เรย์อิสระอิเล็กตรอน (XFEL) ขั้นสูงในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ออสซิลเลเตอร์นาฬิกานิวเคลียร์ทางเลือกจึงอยู่ไม่ไกลจากการกระตุ้นโฟตอนโดยตรง” Shvyd'ko กล่าว “แบนด์วิธที่แคบมาก การเปลี่ยนแปลง 12.4 keV ในสแกนเดียม-45 ซึ่งมีอายุการใช้งานยาวนาน 0.47 วินาที ถือเป็นแบนด์วิธที่มีแนวโน้มมากที่สุด”

อย่างไรก็ตาม แบนด์วิธที่แคบมากนี้ยังหมายความว่าหน้าต่างความถี่ที่สะท้อนกับการเปลี่ยนแปลงคือ 10¹⁵ แคบกว่าการกระจายความถี่ที่ผลิตโดยอุปกรณ์เลเซอร์ที่ทันสมัยที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบัน “ซึ่งหมายความว่ารังสีเอกซ์ที่เข้ามาเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้นที่สามารถกระตุ้นนิวเคลียสอย่างสั่นพ้องได้ รังสีเอกซ์นอกเรโซแนนซ์ที่โดดเด่นนั้นสร้างสัญญาณรบกวนจากเครื่องตรวจจับจำนวนมหาศาล” Shvyd'ko อธิบาย

ตอนนี้ Shvyd'ko และเพื่อนร่วมงานได้ค้นพบวิธีที่มีแนวโน้มในการแก้ไขปัญหาเสียงรบกวนนี้แล้ว การทดลองของพวกเขาเกิดขึ้นที่โรงงาน XFEL ของยุโรปใกล้กับฮัมบูร์กในเยอรมนี ซึ่งปัจจุบันมีโฟตอนรังสีเอกซ์ที่มีความเข้มข้นสูงสุดซึ่งปรับให้เข้ากับความถี่เฉพาะ

การกำจัดเป้าหมาย

การทดลองของพวกเขาเกี่ยวข้องกับการยิงพัลส์รังสีเอกซ์ไปที่เป้าหมายฟอยล์ของสแกนเดียม-45 หลังจากที่ชีพจรกระทบเป้าหมาย เป้าหมายก็จะถูกย้ายออกจากแนวลำแสงอย่างรวดเร็วไปยังบริเวณใกล้เคียงซึ่งมีเครื่องตรวจจับโฟตอนตั้งอยู่ การแยกตัวออกจากลำแสงทำให้ทีมงานสามารถวัดสัญญาณเล็กๆ ที่เกิดจากการสลายตัวของการกระตุ้นด้วยเรโซแนนซ์ได้ กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำเมื่อมีการสแกนความถี่ของพัลส์แสงตกกระทบ เพื่อค้นหาความถี่ที่แน่นอนที่เกิดการสั่นพ้อง

“ตรวจพบเหตุการณ์การสลายตัวของนิวเคลียร์เพียง 93 ครั้งเพื่อตอบสนองต่อ 10 เหตุการณ์²⁰ โฟตอนใกล้เรโซแนนซ์พุ่งตรงไปที่เป้าหมายสแกนเดียม-45” Shvyd'ko อธิบาย “แต่เนื่องจากสัญญาณรบกวนจากเครื่องตรวจจับต่ำมาก จำนวนนี้จึงเพียงพอที่จะตรวจจับการสั่นพ้องและช่วยให้พลังงานของการเปลี่ยนแปลงสามารถวัดด้วยความไม่แน่นอนที่มีขนาดน้อยกว่าค่าที่ดีที่สุดก่อนหน้านี้มากกว่าสองลำดับ”

นาฬิกานิวเคลียร์: เหตุใดการทดลองที่ CERN จึงทำให้นาฬิกาเหล่านี้เข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น

ด้วยการใช้การเปลี่ยนแปลงนี้เป็นมาตรฐานความถี่ นาฬิกานิวเคลียร์แห่งอนาคตสามารถคงความแม่นยำไว้ได้ภายใน 1 วินาทีทุกๆ 300 พันล้านปี - มีการปรับปรุงความแม่นยำของนาฬิกาอะตอมรุ่นล่าสุดอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการปรับปรุงเพิ่มเติมเสียก่อนจึงจะเป็นไปได้ ขั้นตอนต่อไปที่สำคัญคือการสังเกตรังสีเอกซ์ที่กระจัดกระจายออกจากนิวเคลียสโดยแก้ไขตามเวลา ซึ่งจะเผยให้เห็นความกว้างสเปกตรัมที่แท้จริงของการสั่นพ้อง" Shvyd'ko อธิบาย

หากสามารถเอาชนะความท้าทายต่างๆ ได้ เทคโนโลยีนี้อาจมีผลกระทบที่น่าตื่นเต้นในการวิจัยที่ล้ำสมัยหลายสาขา “การกระตุ้นรังสีเอกซ์ของการสั่นพ้องของสแกนเดียม-45 และการวัดพลังงานที่แม่นยำของรังสีนั้นเปิดช่องทางใหม่สำหรับสเปกโทรสโกปีที่มีความแม่นยำสูงพิเศษ เทคโนโลยีนาฬิกานิวเคลียร์ และมาตรวิทยาขั้นสูงในระบบรังสีเอกซ์พลังงานสูง” Shvyd' กล่าว เกาะ

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/resonant-excitation-of-nuclear-clock-transition-spotted-at-xfel/