اتخذ فريق دولي من الباحثين خطوة حاسمة نحو جيل جديد من الساعات الذرية الأكثر دقة. في ليزر الأشعة السينية الأوروبي XFEL، ابتكر الباحثون مولد نبض أكثر دقة يعتمد على عنصر السكانديوم الذي يمكن أن تصل دقته إلى ثانية واحدة خلال 300 مليار سنة، وهو أكثر دقة بحوالي ألف مرة من الساعة الذرية القياسية الحالية المعتمدة على السيزيوم. قدم الفريق نتائجه في 27 سبتمبر في مجلة Nature.
عرض فني لساعة سكانديوم النووية: استخدم العلماء نبضات الأشعة السينية من XFEL الأوروبي لتحفيز عملية في نواة سكانديوم تولد إشارة ساعة بدقة غير مسبوقة تبلغ ثانية واحدة خلال 300 مليار سنة. المصدر: معهد XFEL الأوروبي/معهد هيلمهولتز جينا، توبياس وستفيلد/رالف رولسبيرجر
آليات الساعة الذرية الحالية
تعد الساعات الذرية حاليًا أكثر أجهزة ضبط الوقت دقة في العالم. تستخدم هذه الساعات الإلكترونات الموجودة في الطبقات الذرية للعناصر الكيميائية، مثل السيزيوم، كمولدات نبضية لتحديد الوقت. يمكن تعزيز هذه الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى باستخدام أفران ميكروويف ذات ترددات معروفة. وفي هذه العملية، فإنها تمتص إشعاع الميكروويف.
تبعث الساعة الذرية موجات ميكروويف عند ذرات السيزيوم وتضبط تردد الإشعاع لتعظيم امتصاص الموجات الميكروية؛ يسمي الخبراء هذا الرنين. يمكن تثبيت مذبذبات الكوارتز التي تولد الموجات الدقيقة بمساعدة الرنين، مما يسمح لساعات السيزيوم بأن تكون دقيقة خلال ثانية واحدة لمدة 300 مليون سنة.
من الأمور الحاسمة لدقة الساعة الذرية هو عرض الرنين المستخدم. تستخدم الساعات الذرية السيزيوم الحالية بالفعل رنينات ضيقة جدًا؛ تعتبر الساعات الذرية السترونتيوم أكثر دقة، حيث تصل دقتها إلى ثانية واحدة فقط كل 15 مليار سنة. يكاد يكون من المستحيل تحقيق المزيد من التحسينات باستخدام طريقة الإثارة الإلكترونية هذه. لذا، تعمل الفرق حول العالم منذ سنوات على مفهوم الساعات "النووية"، التي تستخدم التحولات في النوى الذرية كمولدات للنبض، بدلاً من التحولات في الأغلفة الذرية. يعتبر الرنين النووي أكثر عنفًا من رنين الإلكترونات الموجودة في الأغلفة الذرية، لكن استثارته أيضًا أكثر صعوبة.
الاختراق الذي جلبه سكانديوم
في شركة XFEL الأوروبية، يستطيع الفريق الآن إلهام تحولات واعدة في نواة عنصر السكانديوم، والذي يتوفر بسهولة على شكل رقائق معدنية عالية النقاء أو مركب ثاني أكسيد السكانديوم. يتطلب هذا الرنين أشعة سينية ذات طاقة تبلغ 12.4 كيلو إلكترون فولت (حوالي 10000 مرة طاقة الضوء المرئي) وعرض 1.4 فيمتو إلكترون فولت (feV) فقط. وهذا يعادل 1.4 تريليون من الإلكترون فولت، أي حوالي عُشر طاقة الإثارة (10-19). وهذا يجعل الدقة 1:10,000,000,000,000 ممكنة.
قال رالف رولسبيرجر، الباحث في DESY، والذي يعمل في معهد هيلمهولتز في جينا، وهي مؤسسة مشتركة بين مركز GSI هيلمهولتز لأبحاث الأيونات الثقيلة، ومركز هيلمهولتز دريسدن روزندورف (HZDR) وهيلمهولتز سنتروم: "هذا يعادل ثانية واحدة كل 300 مليار سنة". .
التطبيقات والإمكانات المستقبلية
للساعات الذرية العديد من التطبيقات التي تستفيد من الدقة المتزايدة، مثل تحديد المواقع بدقة باستخدام الملاحة عبر الأقمار الصناعية. وقال يوري شفيدكو، رئيس مشروع التجربة ومختبر أرجون الوطني في الولايات المتحدة: "تم اكتشاف الإمكانات العلمية لرنين سكانديوم منذ أكثر من 30 عاما". وقال أندرس مادسن، كبير العلماء في محطة XFELMID التجريبية الأوروبية حيث أجريت التجربة: "ومع ذلك، حتى الآن، لم يتمكن أي مصدر للأشعة السينية من إصدار ضوء ساطع بدرجة كافية ضمن خط السكانديوم الضيق 1.4feV". "فقط أجهزة ليزر الأشعة السينية مثل XFEL الأوروبي هي التي غيرت هذا الوضع."
في هذه التجربة الرائدة، أضاء الفريق رقاقة سكانديوم بسمك 0.025 مم باستخدام ليزر الأشعة السينية، وتمكنوا من اكتشاف الشفق المميز المنبعث من النوى المثارة، وهو دليل واضح على خطوط رنين السكانديوم الضيقة للغاية.
من المهم أيضًا لبناء الساعات الذرية معرفة دقيقة لطاقة الرنين، وبعبارة أخرى، طاقة إشعاع الليزر بالأشعة السينية الذي يحدث عنده الرنين. سمح منع الضوضاء الشديد المتقدم والبصريات البلورية عالية الدقة بتحديد قيمة طاقة رنين السكانديوم في التجربة ضمن خمس منازل عشرية عند 12.38959 كيلو فولت، وهو أكثر دقة 250 مرة من ذي قبل.
ويؤكد يورج إيفرز، رئيس قسم تحليل البيانات في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في هايدلبرغ، أن "التحديد الدقيق للطاقة الانتقالية يمثل تقدمًا كبيرًا. إن المعرفة الدقيقة بهذه الطاقة أمر بالغ الأهمية لتحقيق الساعات الذرية القائمة على سكانديوم".
ويستكشف الباحثون الآن المزيد من الخطوات نحو تحقيق مثل هذه الساعة النووية. يوضح شفيدكو: "إن الاختراقات في إثارة رنين السكانديوم والقياس الدقيق لطاقته تفتح آفاقًا جديدة ليس فقط للساعات النووية، ولكن أيضًا للتحليل الطيفي فائق الدقة والقياس الدقيق للتأثيرات الفيزيائية الأساسية".
وأضافت أولجا كوتشاروفسكايا من جامعة تكساس إيه آند إم بالولايات المتحدة الأمريكية، وهي المبادر والقائد للمشروع الممول من مؤسسة العلوم الوطنية: "مثل هذه الدقة العالية يمكن أن تسمح، على سبيل المثال، باكتشاف تمدد زمن الجاذبية على مسافات أقل من المليمتر. وهذا من شأنه أن يساعد في دراسة التأثيرات النسبية على مقاييس الطول التي لا يمكن تحقيقها حتى الآن".