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新型原子钟的里程碑！“钪原子核”将计时精度提升了1000倍
光子盒研究院
一个国际研究小组向新一代原子钟迈出了决定性的一步。在欧洲XFEL X射线激光器上，研究人员以钪元素为基础，制造出了一种更为精确的脉冲发生器，其精确度达到了每3000亿年一秒——比目前以铯为基础的标准原子钟精确了约1000倍。9月27日，研究小组在《自然》(Nature)杂志上发表了他们的成果。
原子钟是目前世界上最精确的计时器。这些时钟利用化学元素（如铯）原子壳中的电子作为脉冲发生器来确定时间。这些电子可以通过已知频率的微波提升到更高的能量水平。在此过程中，它们会吸收微波辐射。原子钟将微波照射到铯原子上，并调节辐射频率，使微波吸收最大化；专家将此称为共振。在共振的帮助下，产生微波的石英振荡器可以保持稳定，从而使铯钟在3亿年内精确到一秒以内。
近年来，由于光学时钟的发展，计时技术取得了巨大的进步，光学时钟的工作频率比作为世界主要时间标准的微波设备高出约六个数量级。最先进的光学时钟的不稳定性和不确定性约为1018分之一。
时钟和时频同步关系到国防安全、社会生活、科学研究的方方面面，甚至其他一些量子精密测量应用都需要依赖原子钟，因此，时钟领域的研究始终是各国的重中之重。在信息时代的现代化战争中，精确打击重于大规模杀伤，而实现精确打击的基本手段，就是高精度、高准确的时间频率系统，其核心就是原子钟。
大家公认的是，在现代战争中，原子钟甚至比原子弹还重要。
原子钟精度的关键在于共振的宽度。目前的铯原子钟已经使用了非常窄的共振；锶原子钟的精度更高，仅为150亿年一秒。然而，这种电子激发方法实际上不可能实现进一步的改进。因此，世界各地的研究小组数年来一直在研究 “核”时钟：即利用原子核中的跃迁而不是原子壳中的跃迁作为脉冲发生器。核共振比电子在原子壳中的共振更为敏锐，但也更难激发。
在欧洲XFEL上，研究小组现在可以在钪元素的原子核中激发出一种很有希望的转变，钪元素可以作为高纯度金属箔或化合物二氧化钪随时提供。这种共振需要能量为12.4千电子伏特（keV，约为可见光能量的10,000 倍）、宽度仅为1.4飞电子伏特(feV)的X射线。这相当于1.4夸脱电子伏特，仅为激发能量(10-19)的十万亿分之一。这使得1:10,000,000,000的精确度成为可能。
DESY的研究员拉尔夫·罗尔斯伯格(Ralf Röhlsberger)说：“这相当于3000亿年中的一秒”。他在亥姆霍兹研究所工作：该研究所是GSI亥姆霍兹重离子研究中心、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)和DESY的联合机构。
原子钟的许多应用都得益于精度的提高，例如利用卫星导航进行精确定位。该实验的项目负责人、美国阿贡国家实验室的尤里·什维德科(Yuri Shvyd’ko)报告说：“钪共振的科学潜力早在30多年前就被发现了。”欧洲XFEL MID实验站的首席科学家安德斯·马德森(Anders Madsen)表示：“但直到现在，还没有任何X射线源能够在钪的1.4 feV窄线内发出足够明亮的光。只有像欧洲XFEL这样的X射线激光器才能改变这种状况。在这项开创性的实验中，研究小组用X射线激光照射了0.025毫米厚的钪箔，并能够探测到受激原子核发出的特征性余辉，这是钪的极窄共振线的明显证据。”
准确了解共振能量——换句话说就是共振发生时X射线激光辐射的能量，对原子钟的制造也很重要。先进的极端噪声抑制和高分辨率晶体光学技术使实验中钪共振能量的值被确定为小数点后五位数以内的12.38959keV，比以前精确了250倍。
数据分析负责人、海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的约尔格·埃弗斯(Jörg Evers)强调说：“过渡能量的精确测定标志着一项重大进展。准确掌握这一能量对于实现基于钪的原子钟具有极其重要的意义。”
研究人员相信，他们的结果将对计时产生影响——他们预见到“未来基于钪45的核钟的发展”——以及光谱学和计量学。
目前，研究人员正在探索实现这种原子核时钟的进一步措施。特别是，他们首先需要测量过渡的真实线宽。因为他们检测到的是原子辐射，而不是核产生的电子，这是不相干的，所以他们测量的峰宽因入射 X 射线的能量扩散而变宽。
他们说，解决方案是对12.4 keV X射线进行时间分辨测量，这些X射线在向前方向上从钪原子核相干散射。他们补充说，这将涉及采取许多额外的实验步骤，例如冷却目标并使其更厚以最大化散射信号。
“在钪共振激发和精确测量其能量方面取得的突破不仅为核钟开辟了新的途径，也为超高精度光谱学和基本物理效应的精确测量开辟了新的途径。”Shvyd’ko 解释说。
参与这项工作的研究人员来自美国阿贡国家实验室、耶拿亥姆霍兹研究所、耶拿弗里德里希-席勒大学、美国德克萨斯农工大学、海德堡马克斯-普朗克核物理研究所、波兰克拉科夫同步辐射源SOLARIS、欧洲XFEL和DESY。
位于汉堡地区的欧洲XFEL是一个国际性的超级研究设施：每秒27,000次的X射线闪光和比最好的传统X射线源高出十亿倍的亮度为科学带来了全新的机遇。来自世界各地的研究小组能够绘制病毒的原子细节图，破译细胞的分子组成，拍摄纳米世界的三维“照片”、“拍摄”化学反应，以及研究诸如行星深处发生的过程。欧洲XFEL是一家非营利公司，与其主要股东DESY研究中心和全球其他组织密切合作。目前，已有12个国家签署了欧洲XFEL公约：丹麦、法国、德国、匈牙利、意大利、波兰、俄罗斯、斯洛伐克、西班牙、瑞典、瑞士和英国。
DESY是世界领先的粒子加速器中心之一，研究物质的结构和功能：从微小基本粒子的相互作用、新型纳米材料和重要生物分子的行为到宇宙的伟大奥秘。位于汉堡和Zeuthen的DESY开发和制造的粒子加速器和探测器是独一无二的研究工具。它们产生世界上最强烈的X射线辐射，将粒子加速到创纪录的能量，并打开了通向宇宙的新窗口。
参考链接：[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/1002938[2]https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2023/october/might_scandium_nuclei_be_the_ultimate_timekeepers/[3]https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/default-f8f80f9f8f[4]https://mp.weixin.qq.com/s/yHX070edn5ottB-itSsh6w
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