Nature：提高2個數量級！
學研匯 技術中心
納米人
2023-10-16
特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。具有穩定頻率和大品質因數的諧振振蕩器有助于保持高精度的時間跟蹤。如腕表中的石英晶體振蕩器和原子鐘中的原子振蕩器，它們是目前最精確的時間測量設備。近年來，核振蕩器被發現具有天然的更高的品質因數和對外部擾動更高的恢復能力，其中最有前景的是45Sc在基態和12.4 keV同核異能態之間的超窄核共振躍遷，其壽命為0.47?s。然而，45Sc的共振激發需要加速器驅動的高亮度X射線源，這嚴重限制了其應用。有鑒于此，阿貢國家實驗室Yuri Shvyd’ko等人報告了通過使用最先進的X射線自由電子激光器的12.4 keV 光子脈沖照射Sc金屬箔，對45Sc異構態進行共振X射線激發，并檢測核衰變產物。躍遷能確定為 
，不確定性比之前已知的值小兩個數量級。這些進步使得該異構體能夠在極限計量、核鐘技術、超高精度光譜學和類似應用中得到應用。隨著現代X射線自由電子激光器(XFEL)的出現，幾種低能量且長壽命的核異構體共振已觸手可及。其中最有前途的是45Sc，其具有極高的Q品質因數，比57Fe的14.4-keV共振大六個數量級。此外，45Sc 是一種穩定同位素，天然豐度為100%，很容易以超純Sc金屬或 Sc2O3形式獲得，使得45Sc優于任何其他穆斯堡爾核鐘候選者。本工作報告了使用XFEL脈沖對 45Sc的長壽命超窄12.4-keV核態的共振激發，將之前已知不確定度僅為±50?eV的躍遷能的確定精度提高了100倍以上。
圖 45Sc核12.4 keV第一激發態的激發和衰變方案EuXFEL產生的X射線用于激發固態靶中的45Sc原子核，激發后檢測到的核衰變產物具有約τ0的特征延遲。由于X射線探測器不需要特殊的環境，作者選擇檢測X射線熒光，重點關注4-keV光子的檢測。使用單次光譜儀(SSS)連續測量相對光子能量，然后使用邦德光譜儀測量將其與絕對能量尺度相關聯。數據采集時間約為30小時，約1020個光子被引導至45Sc，總共檢測到約93個核衰變事件。由于探測器背景極低，這個數字足以揭示45Sc共振并高精度地確定共振能量。
作者展示了來自上游和下游衰變探測器Du和Dd的計數的二維圖，以及在所有入射光子能量Ei下能量Ef?26keV的所有檢測到的光子的圖。結果表明探測到了被XFEL脈沖共振激發的45Sc原子核的長壽命12.4 keV激發態的衰變產物，在該實驗中無法檢測到NFS信號。
作者將數據的刻度表示為歸一化計數，通過光譜上的積分表示實驗中記錄的延遲K殼層熒光光子的總數以及核磁共振輔助 K 殼層熒光產率。實驗數據結果表明峰值產量為
如果使用較小的α和 αK 值，則理論峰產率和實驗峰產率之間會取得更好的一致性，作者同樣展示了優化后的α和αK值以及使用這些內部轉換系數計算出的核共振截面σ0。
圖 時延Sc K殼層熒光作為入射 X 射線光子能量的函數Shvyd’ko, Y., R?hlsberger, R., Kocharovskaya, O. et al. Resonant X-ray excitation of the nuclear clock isomer 45Sc. Nature (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-06491-w
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