Международная группа исследователей сделала решительный шаг к новому поколению более точных атомных часов. Исследователи европейского рентгеновского лазера XFEL создали более точный генератор импульсов на основе элемента скандия, который может работать с точностью до одной секунды за 300 миллиардов лет, что примерно в тысячу раз точнее, чем нынешние стандартные атомные часы на основе цезия. Команда представила свои результаты 27 сентября в журнале Nature.
Художественное представление скандиевых ядерных часов: ученые использовали рентгеновские импульсы европейского XFEL, чтобы стимулировать процесс в ядре скандия, который генерирует тактовый сигнал с беспрецедентной точностью в одну секунду за 300 миллиардов лет. Источник: Европейский XFEL/Институт Гельмгольца в Йене, Тобиас Вюстефельд/Ральф Рёлсбергер.
Современные механизмы атомных часов
Атомные часы в настоящее время являются самыми точными хронометристами в мире. Эти часы используют электроны в атомных слоях химических элементов, таких как цезий, в качестве генераторов импульсов для определения времени. Эти электроны можно поднять на более высокие энергетические уровни с помощью микроволн известных частот. При этом они поглощают микроволновое излучение.
Атомные часы излучают микроволны на атомы цезия и регулируют частоту излучения для максимального поглощения микроволн; эксперты называют это резонансом. Кварцевые генераторы, генерирующие микроволны, можно стабилизировать с помощью резонанса, что позволяет цезиевым часам работать с точностью до одной секунды в течение 300 миллионов лет.
Решающее значение для точности атомных часов имеет ширина используемого резонанса. Современные атомные часы на основе цезия уже используют очень узкие резонансы; Атомные часы стронция еще более точны: точность всего одна секунда каждые 15 миллиардов лет. Дальнейших улучшений практически невозможно достичь с помощью этого метода электронного возбуждения. Поэтому команды по всему миру уже много лет работают над концепцией «ядерных» часов, которые используют в качестве генераторов импульсов переходы в атомных ядрах, а не переходы в атомных оболочках. Ядерные резонансы гораздо более сильные, чем резонансы электронов в атомных оболочках, но их труднее возбудить.
Прорыв, принесенный скандием
Команда европейского XFEL теперь может вдохновить на многообещающие преобразования в ядрах элемента скандия, который легко доступен в виде металлической фольги высокой чистоты или сложного диоксида скандия. Для этого резонанса необходимы рентгеновские лучи с энергией 12,4 кэВ (примерно в 10 000 раз больше энергии видимого света) и шириной всего 1,4 фемтоэлектронвольта (фэВ). Это 1,4 триллионных электрон-вольта, примерно одна десятая энергии возбуждения (10-19). Это обеспечивает точность 1:10 000 000 000 000.
«Это эквивалентно одной секунде за 300 миллиардов лет», — сказал исследователь DESY Ральф Рёлсбергер, который работает в Институте Гельмгольца в Йене, совместном учреждении Центра исследований тяжелых ионов GSI имени Гельмгольца, Центра Гельмгольца Дрезден-Розендорф (HZDR) и Центра Гельмгольца. .
Приложения и будущий потенциал
Атомные часы имеют множество применений, которые выигрывают от повышенной точности, например, для точного позиционирования с помощью спутниковой навигации. «Научный потенциал скандиевого резонанса был открыт более 30 лет назад», — сообщил руководитель проекта эксперимента и Аргоннской национальной лаборатории в США Юрий Швыдько. «Однако до сих пор ни один источник рентгеновского излучения не смог излучать свет достаточно ярко в узкой линии скандия с напряжением 1,4 феВ», — сказал Андерс Мэдсен, главный научный сотрудник европейской экспериментальной станции XFELMID, где проводился эксперимент. «Только рентгеновские лазеры, такие как европейский XFEL, изменили эту ситуацию».
В этом новаторском эксперименте команда осветила скандиевую фольгу толщиной 0,025 мм рентгеновским лазером и смогла обнаружить характерное послесвечение, испускаемое возбужденными ядрами, что является явным свидетельством чрезвычайно узких резонансных линий скандия.
Для построения атомных часов также важно точное знание энергии резонанса, иначе говоря, энергии рентгеновского лазерного излучения, при которой возникает резонанс. Усовершенствованное подавление экстремального шума и кристаллическая оптика высокого разрешения позволили определить значение энергии резонанса скандия в эксперименте с точностью до пяти десятичных знаков при 12,38959 кэВ, что в 250 раз точнее, чем раньше.
Йорг Эверс, руководитель отдела анализа данных в Институте ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, подчеркивает: «Точное определение энергии перехода знаменует собой большой прогресс. Точное знание этой энергии имеет решающее значение для создания атомных часов на основе скандия».
Сейчас исследователи изучают дальнейшие шаги по созданию таких ядерных часов. Швыдько поясняет: «Прорывы в резонансном возбуждении скандия и точном измерении его энергии открывают новые возможности не только для ядерных часов, но и для сверхточной спектроскопии и точного измерения фундаментальных физических эффектов».
Ольга Кочаровская из Техасского университета A&M, США, инициатор и руководитель проекта, финансируемого Национальным научным фондом, добавила: «Такая высокая точность могла бы позволить, например, обнаружить гравитационное замедление времени на субмиллиметровых расстояниях. Это помогло бы изучить релятивистские эффекты на до сих пор недостижимых масштабах длины».