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核突破可以帮助我们制造出最精确的时钟

原子核 核时钟
发布:2020-10-09 16:49:12    

核时钟可以使我们的时间测量比原子钟更加准确。关键在于thorium-229,这是原子核,其最低激发态的能量非常低。来自海德堡大学基希霍夫物理研究所,维也纳工业大学,约翰内斯古腾堡大学美因茨(JGU),美因茨亥姆霍兹研究所(HIM)和位于达姆施塔特的GSI Helmholtzzentrum的研究小组现已成功测量了这种低能量。使用极其精确的检测器,可以检测由于原子核去激励过程中释放的能量而导致的微小温度升高。这使核钟的实现更近了一步。

图像:maXs30检测器的8x8阵列的伪彩色扫描电子显微镜图像。

在放射性衰变中,原子核自发地重新排列,弹射出一部分结构单元,然后转变为另一个原子的核。在此过程中,新的“子原子”通常具有内部存储的能量,这些能量以伽马射线的形式释放。这些射线的能量是每种原子核的特征-就像指纹一样。通过表征这些伽马射线指纹,研究人员对原子核有了很多了解。

早在1976年,LA Kroger和CW Reich就铀233的衰变进行了研究,铀233是铀的人造核,通过发射α粒子而衰变到229。这之后立即发出以不同且通常被很好理解的模式出现的特征性伽马射线。但是,克罗格(Kroger)和赖希(Reich)记录了一个异常:所有核理论都预测到了一种伽马射线,它在测量信号中缺失了。最好的解释是thorium-229最低核激发中存储的内部能量太低,无法被探测器观察到。在随后的几十年中,人们进行了许多尝试来观察这种低能伽马射线而没有成功,将其限制在越来越低的能量上。

构造核钟的新观点

如今,我们知道thorium-229原子核的最低激发能态(称为异构体态)位于所有原子核中已知的最低能级,其能量比通常激发能低几个数量级。因此,相关联的伽马射线的能量是如此之低,以至于它被置于电磁波谱的紫外线区域而不是典型的伽马射线区域。这导致了一种独特的情况,即通过发射这种“紫外线伽马射线”而进行的反激发过程相反,即通过将紫外线照射到核上,可以激发较低的态。它是唯一可以被“台式”激光激发的核系统。这开辟了令人兴奋的前景,包括建造“核”钟,其中的时间是通过这两个状​​态之间原子核的振荡来衡量的。预计这种时钟的精度要比最好的当前原子时钟的精度要好,后者最好依靠电子壳中状态之间的振荡,而电子壳比小10.000倍的原子核更容易受到外部干扰。

然而,关键的问题是,尚未足够精确地知道异构体态的能量,以知道需要哪种紫外光来激发振荡。来自海德堡,维也纳,美因茨和达姆施塔特的研究人员联盟现在已经重复了克罗格和赖希的标志性伽马能谱测量,但是使用了高度先进的先进伽马能谱仪,专门用于记录如此低能量的射线。

出色的研究可提供最高的精度

为此,海德堡大学Kirchhoff物理研究所的Christian Enss教授和Andreas Fleischmann博士的研究团队开发了一种名为maXs30的磁性微热量计。该检测器冷却到负273摄氏度,并测量吸收伽马射线时发生的微小温度升高。温度升高会导致检测器磁性能发生变化,然后使用SQUID磁力计将其转换为电信号,该磁力计类似于磁共振断层扫描中常用的那些。maXs30检测器具有前所未有的能量分辨率和增益线性度;仍然需要大约12周的连续测量时间才能获得足够精确的伽马射线光谱。

为了使这种具有挑战性的测量成为可能,美因茨和达姆施塔特的克里斯托夫·杜尔曼教授团队开发了铀233的特殊样品。首先,他们使用化学方法去除了在使用样品之前随时间累积的所有衰变子产物。他们还去除了不需要的放射性同位素,放射性同位素的衰减导致测量数据中不需要的背景。然后,他们设计了一种源几何结构和样品容器,从而使从样品到maXs30量热仪的途中的微弱信号的干扰降至最低。这些步骤是成功进行测量所必需的,因为每10,000个衰减过程中只有一个会产生可用于确定异构体能量的信号。迄今为止,该测量产生了铀233至thorium-229衰变的最精确的伽马射线光谱。维也纳工业大学的Thorsten Schumm教授团队与海德堡团队一起,采用了四种不同的方案,从该数据中得出异构体态的能量。最精确的一个产生的值为8.10(17)电子伏特,对应于153.1(32)纳米波长的光,括号中的数字表示最后一位数字的不确定性。该测量为for-229异构体的直接激光激发铺平了道路。

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