دانشمندان یک تیم تحقیقاتی بین المللی با ایجاد یک مولد پالس بسیار دقیق بر اساس عنصر اسکاندیم، پیشرفت قابل توجهی در توسعه ساعت های اتمی داشته اند. محققان به سطح بی‌سابقه‌ای از دقت دست یافتند، با ساعت جدید که دقت یک ثانیه را در 300 میلیارد سال ممکن می‌سازد - تقریباً هزار برابر دقیق‌تر از ساعت اتمی استاندارد فعلی مبتنی بر سزیم. موفقیت این تیم به تفصیل در مجله Nature آمده است.
ساعت‌های اتمی که به انتقال الکترون در پوسته اتمی متکی هستند، در حال حاضر دقیق‌ترین دستگاه‌های زمان‌سنجی هستند. با این حال، محدودیت در باریکی رزونانس استفاده شده مانع از پیشرفت بیشتر در دقت شده است. برای غلبه بر این چالش، دانشمندان در حال بررسی مفهوم ساعت های "هسته ای" هستند که از انتقال در هسته اتم استفاده می کنند.
در مرکز لیزر اشعه ایکس XFEL اروپا، تیم تحقیقاتی با موفقیت یک انتقال امیدوارکننده را در هسته اسکاندیم، که دارای یک خط تشدید (resonance line) بسیار باریک است، برانگیخت. این تشدید، که به اشعه ایکس با انرژی 12.4 کیلوالکترون ولت (keV) نیاز دارد، تنها 1.4 فمتوالکترون ولت (feV) عرض دارد. دقت به دست آمده امکان دقت یک ثانیه در 300 میلیارد سال را فراهم می کند.
علاوه بر این، محققان به طور دقیق انرژی تابش لیزر اشعه ایکس مورد نیاز برای دستیابی به رزونانس را تعیین کردند که منجر به بهبود قابل توجهی در دانش انرژی انتقال شد. مقدار انرژی رزونانس اسکاندیم با عدم قطعیت دو مرتبه کوچکتر از مقادیر شناخته شده قبلی تعیین شد.
توسعه یک ساعت هسته ای فوق دقیق اسکاندیم پیامدهای متعددی در زمینه های مختلف دارد. افزایش دقت ساعت‌های اتمی می‌تواند برای کاربردهایی مانند موقعیت‌یابی دقیق با استفاده از ناوبری ماهواره‌ای مفید باشد. علاوه بر این، این تحقیق راه‌هایی را برای طیف‌سنجی با دقت فوق‌العاده، اندازه‌گیری دقیق اثرات فیزیکی اساسی، و اکتشاف اتساع زمان گرانشی (gravitational time dilation ) در فواصل زیر میلی‌متری باز می‌کند.
این دستاورد نشان دهنده یک گام مهم رو به جلو در تحقق ساعت های هسته ای است و پتانسیل اسکاندیم را به عنوان یک نوسانگر مرجع برجسته می کند. با تحقیق و توسعه بیشتر، ساعت هسته‌ای اسکاندیم می‌تواند زمان‌سنجی را متحول کند و مطالعات پیشگامانه‌ای را در حوزه اثرات نسبیتی و extreme metrology امکان‌پذیر کند.
منبع
Yuri Shvyd'ko, Resonant X-ray excitation of the nuclear clock isomer 45Sc, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06491-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06491-w
