精度提高1000倍 下一代原子钟研发又有新突破

艺术家描绘的钪核钟：科学家们利用欧洲 XFEL 的 X 射线脉冲激发了钪原子核中能够产生时钟信号的过程，其精确度达到了前所未有的 3000 亿年一秒。资料来源：欧洲 XFEL/耶拿赫尔姆霍兹研究所，Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger

当前的原子钟机制

原子钟是目前世界上最准确的计时器。 这些时钟使用化学元素（例如铯）原子层中的电子作为脉冲发生器来定义时间。 使用已知频率的微波可以将这些电子提升到更高的能级。 在此过程中，它们吸收微波辐射。

原子钟向铯原子发射微波并调节辐射频率，以使微波的吸收最大化； 专家称之为共振。 产生微波的石英振荡器可以在共振的帮助下保持稳定，使得铯钟在 3 亿年内精确到一秒以内。

对于原子钟的精度来说至关重要的是所使用的共振宽度。 目前的铯原子钟已经使用非常窄的共振； 锶原子钟的精度更高，150亿年仅差一秒。 使用这种电子激发方法实际上不可能实现进一步的改进。 因此，世界各地的团队多年来一直在研究“核”时钟的概念，该时钟使用原子核中的跃迁作为脉冲发生器，而不是原子壳中的跃迁。 核共振比原子壳层中电子的共振剧烈得多，但也更难激发。

钪带来的突破

在欧洲 XFEL，该团队现在可以在元素钪的原子核中激发出有希望的转变，钪元素很容易以高纯度金属箔或化合物二氧化钪的形式获得。这种共振需要能量为 12.4 千电子伏的 X 射线 （keV，大约是可见光能量的 10,000 倍），宽度仅为 1.4 飞电子伏特 (feV)。 这是 1.4 万亿分之一电子伏特，大约仅为激发能 (10-19) 的十分之一。 这使得 1:10,000,000,000,000 的精度成为可能。

“这相当于 3000 亿年中的一秒，”在耶拿亥姆霍兹研究所工作的 DESY 研究员 Ralf Röhlsberger 说道，该研究所是 GSI 亥姆霍兹重离子研究中心、亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心 (HZDR) 和亥姆霍兹中心的联合机构。。

应用和未来潜力

原子钟有许多受益于精度提高的应用，例如使用卫星导航进行精确定位。 “钪共振的科学潜力在 30 多年前就被发现了，”该实验的项目负责人、美国阿贡国家实验室的尤里·施维德科 (Yuri Shvyd’ko) 报告提到。“然而，到目前为止，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，”进行该实验的欧洲 XFEL MID 实验站的首席科学家安德斯·马德森 (Anders Madsen) 介绍说：“只有欧洲 XFEL 等 X 射线激光器才改变了这一情况。”

在这项开创性的实验中，研究小组用X射线激光照射0.025毫米厚的钪箔，并能够检测到受激发的原子核发出的特征余辉，这是钪极窄共振线的明确证据。

对于原子钟的构造来说，同样重要的是准确了解共振能量，换句话说，就是发生共振的 X 射线激光辐射的能量。 先进的极端噪声抑制和高分辨率晶体光学使实验中的钪共振能量值在12.38959 keV处确定在小数点后五位以内，比以前精确了250倍。

海德堡马克斯普朗克核物理研究所的数据分析负责人 Jörg Evers 强调说：“跃迁能量的精确测定标志着一项重大进展。准确了解这种能量对于实现基于钪的原子钟至关重要。”

研究人员现在正在探索实现这种原子核钟的进一步步骤。Shvyd’ko 解释道：“钪共振激发及其能量精确测量的突破不仅为核钟开辟了新途径，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途径。”

美国德克萨斯农工大学的奥尔加·科恰洛夫斯卡娅（Olga Kocharovskaya）是美国国家科学基金会资助的该项目的发起人和领导者，她补充道：“例如，如此高的精度可以允许在亚毫米距离探测重力时间膨胀。 这将有助于研究迄今为止无法实现的长度尺度上的相对论效应。”