Международная исследовательская группа разработала точный генератор импульсов на рентгеновском лазере XFEL для создания атомных часов нового поколения. Устройство на основе ядер атомов скандия обеспечивает погрешность в одну секунду за 300 млрд лет. Это в 1 000 раз точнее существующего стандарта на основе электронов атомов цезия.
Существующие атомные часы используют электроны в атомной оболочке химических элементов, таких как цезий, в качестве генератора импульсов для определения времени. Эти электроны можно поднять на более высокий энергетический уровень с помощью микроволн известной частоты.
Атомные часы излучают микроволны на атомы цезия и регулируют частоту излучения так, чтобы поглощение микроволн было максимальным. Этот эффект называется резонансом. Кварцевый генератор, генерирующий микроволны, можно поддерживать с помощью резонанса настолько стабильным, что цезиевые часы работают с точностью до одной секунды в течение 300 млн лет.
В новом исследовании ученые работали над ядерным резонансом — в качестве генератора импульсов они использовали переходы в атомном ядре, а не в электронной оболочке. Ядерные резонансы гораздо острее и обеспечивают большую точность, но и их гораздо труднее возбудить.
С помощью лазера XFEL исследователям удалось возбудить многообещающий переход в ядре элемента скандия, который легко доступен в виде металлической фольги высокой чистоты или в виде сложного диоксида скандия. Рентгеновское излучение с энергией 12,4 кэВ и шириной 14 фэВ обеспечивает точность 1:10 000 000 000 000. «Это соответствует одной секунде за 300 млрд лет», — говорит Ральф Релсбергер, соавтор исследования.
Научный потенциал скандиевого резонанса был выявлен более 30 лет назад, но до сих пор не было источника рентгеновского излучения, который светил бы достаточно ярко в узкой линии скандия с энергией 1,4 феВ, отмечают исследователи. Прорыв в области резонансного возбуждения скандия и точное измерение его энергии открывают возможности не только для создания ядерных часов, но и для сверхточной спектроскопии и прецизионного измерения фундаментальных физических эффектов.
