一個國際研究小組向更準確的新一代原子鐘邁出了決定性的一步。在歐洲XFEL X 射線雷射中，研究人員基於鈧元素創建了一種更精確的脈衝發生器，精度可以在3000 億年中達到一秒，這比目前基於銫的標準原子鐘的精度大約高一千倍。該團隊於9 月27 日在《自然》雜誌上展示了成果。

藝術家描繪的鈧核鐘：科學家利用歐洲XFEL 的X 射線脈衝激發了鈧原子核中能夠產生時鐘訊號的過程，其精確度達到了前所未有的3000 億年一秒。資料來源：歐洲XFEL/耶拿赫爾姆霍茲研究所，Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger

目前的原子鐘機制原子鐘是目前世界上最準確的計時器。這些時鐘使用化學元素（例如銫）原子層中的電子作為脈衝產生器來定義時間。使用已知頻率的微波可以將這些電子提升到更高的能階。在此過程中，它們吸收微波輻射。原子鐘向銫原子發射微波並調節輻射頻率，以使微波的吸收最大化； 專家稱之為共振。產生微波的石英振盪器可以在共振的幫助下保持穩定，使得銫鐘在3 億年內精確到一秒以內。對於原子鐘的精確度來說至關重要的是所使用的共振寬度。目前的銫原子鐘已經使用非常窄的共振； 鍶原子鐘的精度更高，150億年僅差一秒。使用這種電子激發方法實際上不可能實現進一步的改進。因此，世界各地的團隊多年來一直在研究「核」時鐘的概念，該時鐘使用原子核中的躍遷作為脈衝發生器，而不是原子殼中的躍遷。核共振比原子殼層中電子的共振劇烈得多，但也更難激發。鈧帶來的突破在歐洲XFEL，該團隊現在可以在元素鈧的原子核中激發出有希望的轉變，鈧元素很容易以高純度金屬箔或化合物二氧化鈧的形式獲得。這種共振需要能量為12.4 千電子伏特的X 射線（keV，大約是可見光能量的10,000 倍），寬度僅1.4 飛電子伏特(feV)。這是1.4 兆分之一電子伏特，大約只有激發能(10-19) 的十分之一。這使得1:10,000,000,000,000 的精度成為可能。「這相當於3000 億年中的一秒，」在耶拿亥姆霍茲研究所工作的DESY 研究員Ralf Röhlsberger 說道，該研究所是GSI 亥姆霍茲重離子研究中心、亥姆霍茲德累斯頓-羅森多夫中心(HZDR) 和亥姆霍茲中心的聯合機構。。應用與未來潛力原子鐘有許多受益於精度提高的應用，例如使用衛星導航進行精確定位。「鈧共振的科學潛力在30 多年前就被發現了，」該實驗的項目負責人、美國阿貢國家實驗室的尤里·施維德科(Yuri Shvyd’ko) 報告提到。「然而，到目前為止，還沒有任何X 射線源能夠在鈧的1.4 feV 窄線內發出足夠明亮的光，」進行該實驗的歐洲XFEL MID 實驗站的首席科學家安德斯·馬德森(Anders Madsen)介紹說：“只有歐洲XFEL 等X 射線雷射器才改變了這一情況。”在這項開創性的實驗中，研究團隊以X射線雷射照射0.025毫米厚的鈧箔，並能夠檢測到受激發的原子核發出的特徵餘輝，這是鈧極窄共振線的明確證據。對於原子鐘的構造來說，同樣重要的是要準確了解共振能量，換句話說，就是發生共振的X 射線雷射輻射的能量。先進的極端噪音抑制和高分辨率晶體光學使實驗中的鈧共振能量值在12.38959 keV處確定在小數點後五位以內，比以前精確了250倍。海德堡馬克斯普朗克核物理研究所的數據分析負責人Jörg Evers 強調：“躍遷能量的精確測定標誌著一項重大進展。準確了解這種能量對於實現基於鈧的原子鐘至關重要。”研究人員現在正在探索實現這種原子核鐘的進一步步驟。Shvyd’ko 解釋道：“鈧共振激發及其能量精確測量的突破不僅為核鐘開闢了新途徑，也為超高精度光譜學和基本物理效應的精確測量開闢了新途徑。”美國德州農工大學的奧爾加·科恰洛夫斯卡婭（Olga Kocharovskaya）是美國國家科學基金會資助的該計畫的發起人和領導者，她補充道：「例如，如此高的精度可以允許在亞毫米距離探測重力時間膨脹。 這將有助於研究迄今為止無法實現的長度尺度上的相對論效應。”