一個國際研究小組向更準(zhǔn)確的新一代原子鐘邁出了決定性的一步。 在歐洲 XFEL X 射線激光器中，研究人員基于鈧元素創(chuàng)建了一種更精確的脈沖發(fā)生器，精度可以在 3000 億年中達(dá)到一秒，這比當(dāng)前基于銫的標(biāo)準(zhǔn)原子鐘的精度大約高一千倍。該團(tuán)隊(duì)于 9 月 27 日在《自然》雜志上展示了其成果。
當(dāng)前的原子鐘機(jī)制
原子鐘是目前世界上最準(zhǔn)確的計時器。 這些時鐘使用化學(xué)元素（例如銫）原子層中的電子作為脈沖發(fā)生器來定義時間。 使用已知頻率的微波可以將這些電子提升到更高的能級。 在此過程中，它們吸收微波輻射。
原子鐘向銫原子發(fā)射微波并調(diào)節(jié)輻射頻率，以使微波的吸收最大化； 專家稱之為共振。 產(chǎn)生微波的石英振蕩器可以在共振的幫助下保持穩(wěn)定，使得銫鐘在 3 億年內(nèi)精確到一秒以內(nèi)。
對于原子鐘的精度來說至關(guān)重要的是所使用的共振寬度。 目前的銫原子鐘已經(jīng)使用非常窄的共振； 鍶原子鐘的精度更高，150億年僅差一秒。 使用這種電子激發(fā)方法實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。 因此，世界各地的團(tuán)隊(duì)多年來一直在研究“核”時鐘的概念，該時鐘使用原子核中的躍遷作為脈沖發(fā)生器，而不是原子殼中的躍遷。 核共振比原子殼層中電子的共振劇烈得多，但也更難激發(fā)。
鈧帶來的突破
在歐洲 XFEL，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以在元素鈧的原子核中激發(fā)出有希望的轉(zhuǎn)變，鈧元素很容易以高純度金屬箔或化合物二氧化鈧的形式獲得。這種共振需要能量為 12.4 千電子伏的 X 射線 （keV，大約是可見光能量的 10,000 倍），寬度僅為 1.4 飛電子伏特 (feV)。 這是 1.4 萬億分之一電子伏特，大約僅為激發(fā)能 (10-19) 的十分之一。 這使得 1:10,000,000,000,000 的精度成為可能。
“這相當(dāng)于 3000 億年中的一秒，”在耶拿亥姆霍茲研究所工作的 DESY 研究員 Ralf R?hlsberger 說道，該研究所是 GSI 亥姆霍茲重離子研究中心、亥姆霍茲德累斯頓-羅森多夫中心 (HZDR) 和亥姆霍茲中心的聯(lián)合機(jī)構(gòu)。
應(yīng)用和未來潛力
原子鐘有許多受益于精度提高的應(yīng)用，例如使用衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行精確定位。 “鈧共振的科學(xué)潛力在 30 多年前就被發(fā)現(xiàn)了，”該實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的尤里·施維德科 (Yuri Shvyd’ko) 報告提到?！叭欢?，到目前為止，還沒有任何 X 射線源能夠在鈧的 1.4 feV 窄線內(nèi)發(fā)出足夠明亮的光，”進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的歐洲 XFEL MID 實(shí)驗(yàn)站的首席科學(xué)家安德斯·馬德森 (Anders Madsen) 介紹說：“只有歐洲 XFEL 等 X 射線激光器才改變了這一情況?！?/p>
在這項(xiàng)開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)中，研究小組用X射線激光照射0.025毫米厚的鈧箔，并能夠檢測到受激發(fā)的原子核發(fā)出的特征余輝，這是鈧極窄共振線的明確證據(jù)。
對于原子鐘的構(gòu)造來說，同樣重要的是準(zhǔn)確了解共振能量，換句話說，就是發(fā)生共振的 X 射線激光輻射的能量。 先進(jìn)的極端噪聲抑制和高分辨率晶體光學(xué)使實(shí)驗(yàn)中的鈧共振能量值在12.38959 keV處確定在小數(shù)點(diǎn)后五位以內(nèi)，比以前精確了250倍。
海德堡馬克斯普朗克核物理研究所的數(shù)據(jù)分析負(fù)責(zé)人 J?rg Evers 強(qiáng)調(diào)說：“躍遷能量的精確測定標(biāo)志著一項(xiàng)重大進(jìn)展。準(zhǔn)確了解這種能量對于實(shí)現(xiàn)基于鈧的原子鐘至關(guān)重要?！?/p>
研究人員現(xiàn)在正在探索實(shí)現(xiàn)這種原子核鐘的進(jìn)一步步驟。Shvyd’ko 解釋道：“鈧共振激發(fā)及其能量精確測量的突破不僅為核鐘開辟了新途徑，也為超高精度光譜學(xué)和基本物理效應(yīng)的精確測量開辟了新途徑?！?/p>
美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的奧爾加·科恰洛夫斯卡婭（Olga Kocharovskaya）是美國國家科學(xué)基金會資助的該項(xiàng)目的發(fā)起人和領(lǐng)導(dǎo)者，她補(bǔ)充道：“例如，如此高的精度可以允許在亞毫米距離探測重力時間膨脹。 這將有助于研究迄今為止無法實(shí)現(xiàn)的長度尺度上的相對論效應(yīng)。”
