Zegar atomowy oparty na skandzie zapewnia niesłychaną precyzję

Niedawny eksperyment przeprowadzony w europejskim ośrodku rentgenowskim na swobodnych elektronach (European XFEL) odsłonił potencjał skandu jako niezwykle precyzyjnego zegara atomowego.

Zegary atomowe, znane ze swojej niezwykłej dokładności, wykorzystują elektrony znajdujące się w powłoce atomowej pierwiastka chemicznego, aby generować precyzyjne impulsy, definiując w ten sposób czas. W przypadku "konwencjonalnych" zegarów atomowych wykorzystuje się atomy cezu, w których elektrony można podnosić do wyższych stanów energetycznych za pomocą określonych częstotliwości promieniowania mikrofalowego. Te pobudzone elektrony następnie absorbują te impulsy mikrofalowe. 

Zegar atomowy oparty na skandzie może zapwniać doskonałą precyzję pomiaru czasu, gubiąc jedną sekundę na 15 miliardów lat. 

Tradycyjne zegary atomowe osiągają niesamowitą dokładność poprzez precyzyjne dostosowywanie częstotliwości promieniowania, aby osiągnąć "rezonans", czyli maksymalną absorpcję energii. To zjawisko pozwala kwarcowemu oscylatorowi, który generuje mikrofale, na utrzymanie stabilności na tyle, że zegary cezowe zachowują dokładność na poziomie jednej sekundy przez 300 milionów lat. Dzięki wykorzystaniu podobnej techniki o niezwykle wąskim rezonansie, zegary atomowe oparte na skandzie mogą osiągnąć jeszcze większą precyzję, tracąc zaledwie 1 sekundę na 15 miliardów lat. Jednak metoda wzbudzania elektronów ma swoje ograniczenia, jeśli chodzi o dalsze zwiększanie dokładności pomiarów czasu. 

Jak zaznaczają badacze, rezonanse jądrowe stanowią o wiele bardziej precyzyjny sposób pomiaru, choć jednocześnie są znacznie bardziej wyzwaniem technicznym. Potencjał rezonansu skandu był dostrzegany przez naukowców już ponad 30 lat temu. Jednakże osiągnięcie tego rodzaju rezonansu wymaga impulsów promieniowania rentgenowskiego o poziomie energii wynoszącej 12,4 kiloelektronowoltów, co stanowi około 10 000 razy większy poziom energii niż światło widzialne.

Ostatnie postępy w technologii laserowej, takie jak europejski XFEL, diametralnie zmieniły możliwości naukowców, którzy wykorzystali to zaawansowane urządzenie, aby naświetlić cienką folię skandu o grubości 0,025 milimetra za pomocą promieni rentgenowskich lasera. To właśnie to naświetlenie doprowadziło do emisji "charakterystycznej poświaty" przez wzbudzone jądra atomowe, co stanowi dowód na niezwykle wąską linię rezonansową skandu. Wyniki eksperymentu opublikowano w prestiżowym magazynie Nature.

Teraz, po osiągnięciu rezonansowego wzbudzenia jąder skandu i dokładnym pomiarze ich energii, naukowcy zaczynają dostrzegać liczne potencjalne zastosowania tych ultraprecyzyjnych zegarów czasu. Zdaniem ekspertów, rezonans atomowy skandu może znaleźć zastosowanie w przyszłości w zegarach atomowych oraz w dziedzinach takich jak "ultraprecyzyjna spektroskopia" czy precyzyjne pomiary podstawowych zjawisk fizycznych. Zegar atomowy oparty na skandzie może otwierać nowe możliwości badania grawitacyjnych dylatacji czasu na "submilimetrowych odległościach", co pozwoli na eksplorację efektów relatywistycznych w skalach długości wcześniej niedostępnych.