Międzynarodowy zespół naukowców ze Stanów Zjednoczonych i Europy pod przewodnictwem Yuri’a Shvyd’ko z ośrodka Argonne National Laboratory (USA), przy udziale pracownika NCPS SOLARIS, dr. inż. Tomasza Kołodzieja, po raz pierwszy w udany sposób wzbudził promieniami rentgenowskimi stan izomeryczny w Skandzie-45 – najostrzejsze przejście kwantowe w reżimie twardego promieniowania rentgenowskiego. To osiągnięcie, które może zaowocować powstaniem nowego typu ultraprecyzyjnych zegarów. Wyniki zaprezentowano w artykule w czasopiśmie Nature.

Obecnie najdokładniejszymi zegarami są zegary atomowe. Urządzenia te wykorzystują przejście atomów cezu (133Cs) pomiędzy dwoma stanami elektronowymi do kontrolowania częstotliwości i mogą mierzyć czas z dokładnością do 1 sekundy w ciągu 300 milionów lat. Aby poprawić tę precyzję, naukowcy chcą wykorzystać przejście rezonansowe pomiędzy poziomem podstawowym i wzbudzonym jądra długożyciowych izomerów, m.in. skand 45Sc (przejścia jądrowe są znacznie mniej podatne na zewnętrzne perturbacje niż przejścia elektronowe).

Europejski Laser na Swobodnych Elektronach XFEL w tzw. trybie self-seeding zapewnił wiązkę promieni rentgenowskich o odpowiedniej gęstości spektralnej (wystarczająco dużej liczbie fotonów w wąskim paśmie energii), aby wzbudzić szukany rezonans. Na linii MID (Materials Imaging & Dynamics) folie skandu o grubości 25 mikrometrów naświetlono wiązką lasera rentgenowskiego i zaobserwowano rezonans poprzez opóźnioną w czasie emisję charakterystycznego promieniowania Kα i Kβ przez atomy skandu.

Wykorzystując wyrafinowane techniki redukcji szumu i optykę rentgenowską o wysokiej rozdzielczości, rezonansowa energia przejścia została określona z niespotykaną dotąd dokładnością do 5 miejsc po przecinku, czyli 12.38959 keV. Szerokość rezonansu jest około milion razy mniejsza niż w mössbauerowskim izotopie żelaza 57Fe (precyzyjna wartość pozostaje do zmierzenia w dalszych krokach), co z kolei daje dokładność pomiaru czasu rzędu 1 s na 300 miliardów lat, czyli 1000 razy lepszą niż dotychczas osiągano w zegarach atomowych.

Wzbudzenie rezonansowe izomeru skandu-45 wraz z precyzyjnym określeniem energii rezonansu (wcześniej znanej jedynie z dokładnością +/-50 eV) otwiera zupełnie nowe możliwości budowy ultraprecyzyjnych zegarów (tzw. atomowy zegar jądrowy), w spektroskopii i metrologii z nieosiągalnymi wcześniej rozdzielczościami oraz dla nowych pomiarów podstawowych wielkości fizycznych. 

Dzięki temu projektowi i zawiązanej współpracy dr Tomasza Kołodzieja z ośrodkiem Argonne National Laboratory (USA) będzie możliwość wprowadzenia badań przy pomocy laserów rentgenowskich również w Centrum SOLARIS.

Rysunek 1. Schemat wzbudzenia i rozpadu pierwszego stanu wzbudzonego jądra 45Sc o energii 12,4 keV. Dominuje nieradiacyjny kanał odwzbudzenia przez konwersję wewnętrzną, w wyniku czego następuje emisja charakterystycznych dla Sc fotonów fluorescencyjnych promieniowania rentgenowskiego i elektronów Augera. W opisywanym eksperymencie mierzono fotony fluorescencyjne Kα (4,09 keV) i Kβ (4,46 keV). (zaczerpnięte z Ref. [1])

Autor: dr inż. Tomasz Kołodziej

Link do publikacji:  Y. Shvyd’ko, R. Röhlsberger, O. Kocharovskaya, J. Evers, G. Geloni, P. Liu, D. Shu, A. Miceli, B. Stone, W. Hippler,B. Marx-Glowna, I. Uschmann, R. Loetzsch, O. Leupold, H.C. Wille, I. Sergeev, M. Gerharz, X. Zhang, C. Grech, T. Kołodziej, Resonant X-ray excitation of the nuclear clock isomer Sc, Nature, 1(2023) doi: 10.1038/s41586-023-06491-w