一项合作研究成果通过x射线脉冲精确激发钪-45，使世界离制造核时钟更近了一步。这标志着计时技术的重大飞跃，可能对科学和工业产生深远的影响
德克萨斯农工大学的奥尔加·科查罗夫斯卡娅教授和他的物理学家们已经开始着手研制新一代计时器，这种计时器的精确度可达3000亿年一秒，也就是一年一秒大约是宇宙年龄的22倍。
德克萨斯农工大学(Texas A&M University)物理与天文系杰出教授奥尔加·科查罗夫斯卡娅(Olga Kocharovskaya)博士参与的一个国际研究小组，朝着开发新一代原子钟迈出了重要一步。原子钟具有令人兴奋的潜力，将影响基础科学和从核物理学到卫星导航和电信等多个行业。
在阿贡国家实验室高级物理学家Yuri Shvyd 'ko博士的带领下，该团队首次在欧洲XFEl (EuXFEL) x射线激光设备上用世界上最亮的x射线脉冲激发了钪-45核异构体，并以前所未有的精度确定了这种核共振的位置。他们的研究结果发表在《自然》杂志网络版和10月19日的印刷版上。
“原子钟，如铯-133时钟或锶-87时钟，依赖于原子中电子的振荡，当被微波或光辐射激发时，电子可以以高度可靠的频率振荡，”国家科学基金会(NSF)项目的首席研究员Kocharovskaya解释说，该项目发起并支持了这项研究。
钪是一种用于航空航天部件和运动器材的元素，它的精度可以达到3000亿年一秒，大约是目前标准原子钟精度的1000倍。钪-45和超亮x射线脉冲的结合使科学家们朝着创造有史以来第一个可以利用原子核振荡而不是电子壳层的核时钟迈出了决定性的一步。
艺术家对钪核钟的演绎。科学家们在欧洲的XFEL使用x射线脉冲来激发钪的原子核——这种过程可以以前所未有的3000亿年一秒的精度产生时钟信号。资料来源:欧洲自由电子激光器/耶拿亥姆霍兹研究所，Tobias w<e:1> stefeld/Ralf R?hlsberger
“对于需要如此精确的目的，包括研究相对论、引力理论的某些方面，以及暗物质等其他物理现象，核时钟是终极计时器，”科查罗夫斯卡娅小组的博士后研究员张希文博士(Xiwen Zhang)说，他是这篇论文的合著者之一。
德克萨斯农工大学物理学家Grigory V. Rogachev博士指出，核时钟的精度高达10,000,000,000,000,000,000分之一，可以开创精确计时的新时代，并在无数领域实现变革性应用，从而带来一系列应用和进步。
“自近代以来，人类一直在寻找制造最精确时钟的技术，”德克萨斯农工大学物理与天文学院院长、德克萨斯农工大学回旋加速器研究所成员罗加乔夫说。
“目前，原子钟是最好的。科查罗夫斯卡娅博士和她的合作者现在正朝着一项突破性的新技术迈出第一步。她的研究开辟了一条新的途径，利用钪-45同位素的独特性质来创造有史以来最精确的时钟——核时钟。这一进步可能在极端计量学、超高光谱学以及潜在的许多其他领域有令人兴奋的应用。”
在过去的十年里，Kocharavskaya的研究兴趣一直集中在将传统量子光学领域(她描述为处理光子与原子跃迁之间的可控共振相互作用)扩展到新兴的核/x射线量子光学领域，重点是控制x射线光子与核跃迁之间的共振相互作用。在这个过程中，她确定了具有长寿命第一激发态的钪-45，作为量子核存储和核时钟的优越候选者。她说，主要的问题是，用现有的x射线源达到这种状态是否可行。
Shvyd’ko在30年前就预见到钪-45在超分辨率相干前向核光谱方面的巨大潜力，以及在新一代加速器基础设施中通过x射线进行共振激发的可能性。Kocharovskaya和Shvyd’ko一起向NSF提交了一份提案，旨在利用x射线脉冲对钪-45核异构体进行共振激发。
德克萨斯农工大学量子科学与工程研究所的成员Kocharovskaya说:“最初，人们对它的评价褒贬不一，因为它被认为是一个高风险/高回报的项目，但最终，它得到了资助，使我们能够在EuXFEL计划实验。”
Kocharovskaya认为Shvyd 'ko不仅是该小组研究的领导者，也是整个团队的灵感来源。她说，从协调所有小组的努力，进入项目的每一个细节，到每周召开Zoom会议，讨论实验准备中的多重挑战和进展，他的领导能力和辛勤工作为看到长期的科学梦想成为现实提供了一个切实的例子。此外，她指出，如果没有他们的德国同事的主要贡献，该项目就不会成功:DESY的Ralf博士R?hlsberger和耶拿亥姆霍兹研究所;海德堡马克斯普朗克核物理研究所J?rg Evers博士;和Drs。EuXFEL的Anders Madsen和Gianlcuca Geloni，以及他们各自领导的团队。
她补充说:“在数据收集的最初几个小时内，一旦看到共振，我们都高兴地庆祝这一成功。”“这对我们所有人来说都是有益的，尤其是尤里，他在33年前就意识到钪-45在超分辨率核光谱方面的巨大科学潜力，并有可能用基于现代加速器的x射线源来激发它。”
这个团队从来没有满足于他们的成就，他们已经把注意力集中在下一步和目标上，首先以更高的精度确定共振跃迁能量，并测量同分异构体状态的确切寿命。此外，还对核的相干前向散射进行了观测，测量了核跃迁的线宽。
“接下来的两步可以以相对简单的方式实现，”张承认。“虽然第三步极具挑战性，但它对于估计未来任何核时钟的预测精度和稳定性绝对至关重要。作为一个团队和更广泛的研究团队，我们都期待着迎接挑战。”
有关这一突破的更多信息，请参见下一代原子钟的突破。
参考:《核时钟异构体45Sc的共振x射线激发》作者:Yuri Shvyd 'ko, Ralf R?hlsberger, Olga Kocharovskaya, J?rg Evers, Gianluca Aldo Geloni, Peifan Liu, Deming Shu, Antonino Miceli, Brandon Stone, Willi Hippler, Berit Marx-Glowna, Ingo Uschmann, Robert Loetzsch, Olaf Leupold, Hans-Christian Wille, Ilya Sergeev, Miriam Gerharz, Xiwen Zhang, Christian Grech, Marc Guetg, Vitali Kocharyan, Naresh Kujala, Liu Shan, Weilun, Alexey Zozulya, J?rg Hallmann, Ulrike Boesenberg, Wonhyuk Jo，Johannes M?ller, Angel Rodriguez-Fernandez, Mohamed Youssef, Anders Madsen和Tomasz Kolodziej, 2023年9月27日，《自然》。DOI: 10.1038/s41586-023-06491-wSHARE TWEET REDDIT电子邮件共享
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