Міжнародний колектив дослідників, що працює на Європейському рентгенівському лазері на вільних електронах (XFEL), нещодавно зробив важливий крок до створення найточнішого атомного годинника – з точністю до однієї секунди за 300 мільярдів років. Про це повідомляє Американське ядерне товариство із посиланням на публікацію в журналі Nature. Дослідники під керівництвом старшого фізика Юрія Швидько з Аргонської національної лабораторії створили генератор імпульсів на основі елемента скандію, який продемонстрував надзвичайно вузьку резонансну частоту, здатну підтримувати безпрецедентну точність часу.

В атомних годинниках електрони в атомних оболонках певних елементів - найчастіше цезію - піднімаються на вищі енергетичні рівні за допомогою мікрохвильового випромінювання. Частота мікрохвильового випромінювання налаштована так, щоб максимізувати поглинання випромінювання в певному резонансному діапазоні.

Чим вужчий цей резонанс, тим точніше генератор імпульсів, створених енергетичними переходами електронів, які використовуються для визначення часу. Атомні годинники на основі цезію можуть досягати точності в одну секунду за 300 мільйонів років. Експериментальні атомні годинники на основі стронцію досягли точності в одну секунду за 15 мільярдів років.

Поточні дослідження так званих ядерних годинників, які базуються на переходах за участю ядра, а не електронів, обіцяють досягти ще більшої точності. Саме такі дослідження були проведені командою з XFEL.

Дослідники опромінювали тонкий (0,025 міліметра) шматок високочистої фольги зі скандію рентгенівськими променями, що генеруються європейським XFEL. На відміну від інших рентгенівських лазерів, лазер XFEL здатний світити досить яскраво (на рівні енергії 12,4 кілоелектронвольт) у вузькій 1,4-фемтоелектронвольтній резонансній лінії скандію, щоб збудити атомне ядро елемента. Після опромінення дослідники виявили характерну флуоресценцію, що свідчить про резонанс ядра скандію. Отриманий генератор імпульсів мав резонанс у 1,4 квадрильйонні частки електронного вольта, що уможливило точність 1:10 000 000 000 000 000, що відповідає одній секунді за 300 мільярдів років.

Команда дослідників продовжує свої дослідження в напрямку розробки ядерного годинника на основі отриманих результатів. Це дослідження може мати й інші застосування. За словами Юрія Швидька, "прорив у резонансному збудженні скандію і точне вимірювання його енергії відкриває нові шляхи не лише для ядерного годинника, але й для надточної спектроскопії та точного вимірювання фундаментальних фізичних ефектів".