Probing the Linewidth of the 12.4-keV $^{45}$Sc Isomeric Resonance in Solids by Nuclear Forward Scattering

Tijdmeting is de basis van de moderne wetenschap en het dagelijks leven, van de GPS in een auto tot de synchronisatie van wereldwijde financiële netwerken. Decennialang hebben de meest precieze klokken vertrouwd op de trillingen van atomen, specifiek op de manier waarop elektronen tussen energieniveaus springen. Deze atoomklokken zijn ongelooflijk nauwkeurig, maar natuurkundigen vroegen zich al lang af of er iets te vinden is dat zelfs stabieler zou kunnen zijn. De kern van een atoom, de minuscule, dichte kern in het centrum, biedt een veelbelovend alternatief. Omdat de kern wordt afgeschermd door de omringende elektronenwolk, is deze veel minder gevoelig voor externe verstoringen zoals magnetische velden of temperatuurveranderingen. Als wetenschappers een klok zouden kunnen bouwen die gebaseerd is op de kern in plaats van op het elektron, zou deze veel stabieler en robuuster kunnen zijn. De uitdaging ligt in het vinden van een kern die trilt op een frequentie die gemeten en gecontroleerd kan worden, en vervolgens in het uitzoeken hoe men die trilling puur en constant kan houden binnen een vaste stof, waar atomen dicht op elkaar gepakt zitten en vaak met elkaar interfereren.

Een team van onderzoekers richtte zich onlangs op een specifieke kandidaat voor deze volgende generatie tijdmeting: de kern van het element scandium. Deze specifieke isotoop van scandium heeft de unieke eigenschap dat de kern naar een hogere energietoestand kan worden gebracht en daar een verrassend lange tijd kan blijven zitten—ongeveer een halve seconde—voordat hij terugkeert naar zijn normale toestand. In de wereld van de kwantumfysica is dit een eeuwigheid. Wanneer hij uiteindelijk terugvalt naar de lagere toestand, geeft hij een energiepuls vrij in de vorm van een röntgenfoton. Theoretisch zou deze overgang zo scherp en precies moeten zijn dat het de perfecte "tikkende" mechanisme voor een nucleaire klok kan dienen. Echter, theorie is één ding, en de realiteit is iets anders. Wanneer atomen in een vaste kristalstructuur zijn vastgelegd, kan de omgeving deze scherpe overgang vertroebelen, vergelijkbaar met het proberen te horen van een enkele viool in een drukke kamer. De onderzoekers wilden testen of deze scandiumkern zijn perfecte precisie kon behouden wanneer deze in vaste kristallen werd geplaatst, of dat het omringende materiaal het signaal zou ruïneren.

Om dit te onderzoeken, gebruikte het team een van de krachtigste röntgenmachines ter wereld, de European X-Ray Free-Electron Laser, gevestigd in Duitsland. Ze vuurden extreem korte, intense röntgenpulsen af die precies zijn afgestemd op de energie die nodig is om de scandiumkernen te exciteren. Ze plaatsten monsters van scandium in verschillende vormen—puur metaal, een oxide, een nitride en een complex kristal—in een speciale kamer die tot extreem lage temperaturen werd gekoeld om thermische ruis te minimaliseren. Het doel was tweeledig: eerst bevestigen dat de kernen inderdaad geëxciteerd konden worden en dat ze die halve seconde in de vaste stof zouden overleven, en tweede kijken of ze een specif kind van een signaal konden detecteren, genaamd nucleaire voorwaartse verstrooiing. Dit signaal treedt op wanneer de geëxciteerde kernen hun energie op een gecoördineerde, golfachtige manier vrijgeven, wat het kenmerk is van een klok die perfect werkt. Als de kernen als een verenigde groep zouden gedrag vertonen, zou het signaal na de röntgenpuls een meetbare tijd aanhouden.

Het experiment leverde duidelijke resultaten op de eerste front. Door het licht te meten dat wordt uitgezonden terwijl de geëxciteerde kernen vervallen, bevestigde het team dat de scandiumkernen inderdaad ongeveer 0,46 seconden overleefden binnen de vaste stoffen. Dit was een cruciale verificatie, die bewees dat de langdurige toestand bestaat, zelfs wanneer de atomen in een vast rooster zijn verpakt. Ze detecteerden ook een zwak, vertraagd signaal op de specifieke energie van 12,4 keV, wat bevestigde dat de kernen hun energie als röntgenstraling vrijgeven, een noodzakelijke stap voor elke toekomstige kloktoepassing. Van de verhouding tussen dit röntgensignaal en andere soorten licht die door de atomen worden uitgezonden, berekenden ze een specifieke natuurkundige constante gerelateerd aan hoe de kern met zijn eigen elektronen interageert, waarbij ze vonden dat deze consistent was met de theoretische voorspellingen.

Echter, toen de onderzoekers zochten naar het gecoördineerde, golfachtige signaal dat zou wijzen op een perfect scherpe klok die in unison loopt, vonden zij niets. Ondanks de hoge gevoeligheid van hun detectoren en de lange observatietijden, verscheen er geen statistisch significant signaal na de eerste twee milliseconden. In een perfecte wereld, waarin het vaste materiaal niet zou interfereren, zou het signaal veel langer zichtbaar moeten zijn geweest. De afwezigheid van dit signaal suggereert dat de omgeving binnen de vaste kristallen de kernen bijna onmiddellijk hun synchronisatie doet verliezen. De onderzoekers analyseerden dit resultaat met behulp van computersimulaties en concludeerden dat de scherpte van de nucleaire overgang door minstens 500 keer meer wordt vertroebeld dan de natuurlijke limiet. Deze vertroebeling wordt waarschijnlijk veroorzaakt door minuscule variaties in de magnetische en elektrische velden binnen de kristallen, die de energie van elke kern er net iets anders door verschuiven, waardoor ze uit de pas lopen met elkaar.

Deze bevinding betekent niet dat een nucleaire klok op basis van scandium onmogelijk is, maar het stelt wel een duidelijke grens aan wat momenteel haalbaar is. De studie toont aan dat hoewel de scandiumkern het potentieel heeft om een ongelooflijk stabiele referentie te zijn, de vaste materialen die we momenteel gebruiken om deze vast te houden te "lawaaiig" zijn om die stabiliteit te bewaren. Het vertroebelingseffect is aanzienlijk en vermindert de potentiële precisie van de klok met ordes van grootte. De onderzoekers suggereren dat toekomstige vooruitgang zal afhangen van het vinden van betere kristalmateriaal met minder defecten en het ontwikkelen van nieuwe technieken om het signaal weer te verscherpen. Hoewel de droom van een nucleaire klok in stand blijft, biedt dit werk een essentiële realiteitscheck, die laat zien hoeveel werk er nog moet worden verzet om de omgeving van de vaste fase te temmen en het volledige potentieel van de atoomkern voor het bijhouden van de tijd te ontsluiten.