Nature：原子鐘，里程碑！

美國阿貢國家實驗室Yuri Shvyd’ko團隊在歐洲XFEL X射線激光器上邁出了邁向新一代原子鐘的決定性一步。研究人員利用鈧(Sc)元素創建了一個基於它的更精確的脈衝發生器，使得鐘的準確度達到了每3000億年一秒的水平，比目前基於銫的標準原子鐘精確度高出約一千倍。相關論文以“Resonant X-ray excitation of the nuclear clock isomer 45Sc”爲題，發表在Nature。

當前的原子鐘是世界上最精確的時間測量器。這些鍾使用化學元素(如銫)原子殼層中的電子作爲脈衝發生器來定義時間。這些電子可以通過已知頻率的微波將其提升到更高的能級，並吸收微波輻射。原子鐘向銫原子發射微波並調節輻射的頻率，使微波的吸收達到最大化；將此稱爲共振。通過共振的方式，石英振盪器可以保持穩定，使得銫鐘的精確度在3000萬年內保持在一秒以內。

原子鐘精確度的關鍵在於所使用的共振帶寬。當前的銫原子鐘已經使用非常窄的共振帶寬；鍶原子鐘通過僅出現在150億年內的一秒來實現更高的精確度。使用電子激發的方法幾乎不可能再進一步改進。因此，全球各地的團隊已經多年來一直在研究“核鍾”的概念，該鐘使用原子核的躍遷作爲脈衝發生器，而不是原子殼層的躍遷。核共振比原子殼層的電子共振更尖銳，但也更難激發。

圖1：45Sc核的12.4keV第一激發態的激發和衰變示意圖

在歐洲XFEL上，該團隊現在能夠激發鈧元素原子核中的一個有希望的躍遷，鈧元素作爲高純度金屬箔或鈧二氧化物化合物容易獲取。該共振需要具有12.4 keV(約爲可見光能量的10,000倍)的X射線，並具有僅爲1.4飛秒電子伏特(feV)的帶寬。這相當於1.4千萬億分之一的電子伏特，僅約爲激發能量(10-19)的十萬億分之一。因此，精確度達到1:10,000,000,000,000是可能的。來自德國電子同步輻射中心(DESY)的研究人員拉爾夫·魯爾斯伯格說：“這相當於每3000億年一秒。”

圖2：利用XFEL脈衝將45Sc核從基態共振激發到長壽命的超窄12.4keV激發態，並檢測45Sc的共振信號

圖3：將來自Du和Dd探測器的計數以探測到的X射線光子能量Ef與入射X射線光子能量(表示爲入射能量Ei與共振能量E0的差值)之間的關係繪製出來

圖4：以入射X射線光子能量(表示爲入射能量Ei與共振能量E0的差值)爲函數，記錄了由探測器Du和Dd記錄的延遲時間的Sc K殼層熒光

【小結】

原子鐘具有許多受益於提高精確度的應用，例如利用衛星導航進行精確定位。該團隊在30多年前就發現了鈧的共振潛力，該實驗在歐洲XFEL的MID實驗站進行，該實驗站的實驗室使用了高能量的X射線來激發鈧元素的原子核。通過觀察原子核的共振躍遷，研究人員能夠確定出一個非常穩定的頻率，這可以用來作爲新一代原子鐘的基準。這種基於鈧元素的原子鐘比目前使用的基於銫的原子鐘精確度高出約一千倍。

這項研究的突破意味着未來的原子鐘可以比現有的鐘更加精確地測量時間。這對於許多科學和技術領域都是非常重要的，包括衛星導航、通信網絡同步、地球物理學研究等。高精度的原子鐘還可以用於測試基本物理定律、檢測引力波、研究宇宙學等領域。然而，目前這項研究仍處於實驗階段，需要進一步的研究和發展才能實際應用於原子鐘技術。此外，鈧元素的使用可能會面臨一些挑戰，例如如何將其應用於實際的原子鐘設備中並保持穩定性。總的來說，這項研究代表了原子鐘領域的重要進展，展示了實現更高精確度的可能性。隨着進一步的研究和技術發展，新一代的原子鐘有望在未來的科學和技術應用中發揮重要作用。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06491-w#Sec2

來源：高分子科學前沿

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