Nature：原子钟，里程碑！

美国阿贡国家实验室Yuri Shvyd’ko团队在欧洲XFEL X射线激光器上迈出了迈向新一代原子钟的决定性一步。研究人员利用钪(Sc)元素创建了一个基于它的更精确的脉冲发生器，使得钟的准确度达到了每3000亿年一秒的水平，比目前基于铯的标准原子钟精确度高出约一千倍。相关论文以“Resonant X-ray excitation of the nuclear clock isomer 45Sc”为题，发表在Nature。

当前的原子钟是世界上最精确的时间测量器。这些钟使用化学元素(如铯)原子壳层中的电子作为脉冲发生器来定义时间。这些电子可以通过已知频率的微波将其提升到更高的能级，并吸收微波辐射。原子钟向铯原子发射微波并调节辐射的频率，使微波的吸收达到最大化；将此称为共振。通过共振的方式，石英振荡器可以保持稳定，使得铯钟的精确度在3000万年内保持在一秒以内。

原子钟精确度的关键在于所使用的共振带宽。当前的铯原子钟已经使用非常窄的共振带宽；锶原子钟通过仅出现在150亿年内的一秒来实现更高的精确度。使用电子激发的方法几乎不可能再进一步改进。因此，全球各地的团队已经多年来一直在研究“核钟”的概念，该钟使用原子核的跃迁作为脉冲发生器，而不是原子壳层的跃迁。核共振比原子壳层的电子共振更尖锐，但也更难激发。

图1：45Sc核的12.4keV第一激发态的激发和衰变示意图

在欧洲XFEL上，该团队现在能够激发钪元素原子核中的一个有希望的跃迁，钪元素作为高纯度金属箔或钪二氧化物化合物容易获取。该共振需要具有12.4 keV(约为可见光能量的10,000倍)的X射线，并具有仅为1.4飞秒电子伏特(feV)的带宽。这相当于1.4千万亿分之一的电子伏特，仅约为激发能量(10-19)的十万亿分之一。因此，精确度达到1:10,000,000,000,000是可能的。来自德国电子同步辐射中心(DESY)的研究人员拉尔夫·鲁尔斯伯格说：“这相当于每3000亿年一秒。”

图2：利用XFEL脉冲将45Sc核从基态共振激发到长寿命的超窄12.4keV激发态，并检测45Sc的共振信号

图3：将来自Du和Dd探测器的计数以探测到的X射线光子能量Ef与入射X射线光子能量(表示为入射能量Ei与共振能量E0的差值)之间的关系绘制出来

图4：以入射X射线光子能量(表示为入射能量Ei与共振能量E0的差值)为函数，记录了由探测器Du和Dd记录的延迟时间的Sc K壳层荧光

【小结】

原子钟具有许多受益于提高精确度的应用，例如利用卫星导航进行精确定位。该团队在30多年前就发现了钪的共振潜力，该实验在欧洲XFEL的MID实验站进行，该实验站的实验室使用了高能量的X射线来激发钪元素的原子核。通过观察原子核的共振跃迁，研究人员能够确定出一个非常稳定的频率，这可以用来作为新一代原子钟的基准。这种基于钪元素的原子钟比目前使用的基于铯的原子钟精确度高出约一千倍。

这项研究的突破意味着未来的原子钟可以比现有的钟更加精确地测量时间。这对于许多科学和技术领域都是非常重要的，包括卫星导航、通信网络同步、地球物理学研究等。高精度的原子钟还可以用于测试基本物理定律、检测引力波、研究宇宙学等领域。然而，目前这项研究仍处于实验阶段，需要进一步的研究和发展才能实际应用于原子钟技术。此外，钪元素的使用可能会面临一些挑战，例如如何将其应用于实际的原子钟设备中并保持稳定性。总的来说，这项研究代表了原子钟领域的重要进展，展示了实现更高精确度的可能性。随着进一步的研究和技术发展，新一代的原子钟有望在未来的科学和技术应用中发挥重要作用。

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

来源：高分子科学前沿

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