科学探索

一个超越原子钟的核时钟概念：钪-45核跃迁

科学探索万象经验2023-10-08

时钟是我们日常生活、科学和技术中不可或缺的工具。它们依赖于具有稳定频率的参考振荡器。我们目前最精确的时间测量设备原子钟，使用原子中电子态之间的共振跃迁作为参考振荡器。这些跃迁是由与原子频率完全匹配的光子驱动的。

近年来，一种新的核时钟的概念引起了广泛的关注。核时钟不是通过原子电子跃迁来测量时间的流逝，而是使用核态之间的高精度振荡。核振荡器天然地比原子振荡器更稳定，更能抵抗外界干扰。目前，最有前途的核时钟候选者是钍-229中两个态之间的振荡，它们具有非常低的跃迁能量，在紫外范围内。

随着过去十年左右先进的X射线自由电子激光（XFEL）的出现，其他核时钟振荡器也可以通过直接光子激发来实现。最有希望的一个是钪-45中极窄带宽、12.4千电子伏的跃迁，它具有0.47秒的长寿命。然而，钪-45的X射线共振激发还没有实现。

要实现X射线共振激发，需要克服两个主要的挑战：一是X射线源和核能级之间的频率匹配，二是探测器噪声的抑制。

钪-45中12.4 keV核时钟跃迁比现代X射线源的频率分布窄至少十五个数量级。这意味着只有极少数入射X射线可以共振地激发核；占主导地位的非共振X射线只会产生巨大的探测器噪声。因此，高X射线谱通量和低噪声对于成功检测激发至关重要。

研究人员在德国汉堡附近的欧洲XFEL设施进行了实验，该设施目前可以产生世界上最高谱通量的共振X射线光子。他们通过在不同位置进行激发和探测来保持噪声低。进一步的噪声判别基于光子到达时间、能量和偏振。

他们使用X射线将钪-45核从基态激发到12.4 keV寿命很长的激发态。由于共振能量之前非常不确定，所以入射X射线的能量必须在很大范围内扫描才能找到它。

由于X射线源和核能级之间频率匹配困难，共振激发事件非常稀少。因此，需要高灵敏度和高效率地探测核衰变产物，以证实核激发的发生。研究人员使用了两种探测器：一种是用于探测X射线的硅漂移探测器（SDD），另一种是用于探测β粒子的塑料闪烁体探测器（PSD）。

他们利用了钪-45核衰变的特征，即在激发后数十毫秒内发射约4 keV能量的特征X射线和β粒子。这些衰变产物与入射X射线有很大的时间和能量差异，因此可以用来区分信号和噪声。此外，他们还利用了X射线和β粒子在空间上的关联性，以及X射线在不同方向上的偏振性，来进一步提高信噪比。

在对钪-45靶注入10^20个近共振光子后，他们只检测到93个核衰变事件。由于探测器噪声极低，这个数字足以检测到共振，并允许将跃迁能量测量得比之前最好的值小两个数量级。
摘自: www.ws46.com

他们首次实现了钪-45核时钟跃迁的X射线共振激发，并将其能量确定到了10^-19相对不确定度的水平。这为未来开发基于钪-45的核时钟提供了重要的基础。钪-45核时钟有望超越原子钟在稳定性和抗干扰性方面的性能，从而为各种技术应用带来革命性的影响。