Probing the Linewidth of the 12.4-keV Sc Isomeric Resonance in Solids by Nuclear Forward Scattering
研究人员利用欧洲 XFEL 研究了各种固态环境中的 Sc 核异构体，并发现虽然长寿命激发得以持续，但在 20 K 的晶体中显著的去相位使共振线宽展宽了至少 500 倍，从而为未来的核钟计量学建立了关键的定量约束。
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计时是现代科学和日常生活的基石，从汽车中的 GPS 到全球金融网络的同步。几十年来，最精确的时钟一直依赖于原子的振动，特别是电子在不同能级之间跳跃的方式。这些原子钟极其精确，但物理学家们长期以来一直在思考，是否能找到一种甚至更加稳定的东西。原子的原子核，即其中心微小而致密的内核，提供了一个极具前景的替代方案。由于原子核被周围的电子云所屏蔽，它对磁场或温度变化等外部干扰的敏感度要低得多。如果科学家能够构建一种基于原子核而非电子的时钟，它将会更加稳定且强健。挑战在于寻找一个能够以可测量且可控的频率进行振动的原子核，并弄清楚如何在原子紧密排列且经常相互干扰的固体材料中，保持这种振动的纯净与稳定。
最近，一个研究小组将注意力转向了这一下一代计时技术的特定候选者：钧（scandium）元素的原子核。这种特定的钧同位素具有一种独特的属性，即其原子核可以被激发到更高的能态，并在返回正常状态之前能在那里停留相当长的时间——大约半秒钟。在量子物理学领域，这简直是永恒。当它最终跌回原位时，会以 X 射线光子的形式释放出一束能量。从理论上讲，这种跃迁应该如此尖锐且精确，足以作为核钟完美的“滴答”机制。然而，理论是一回事，现实是另一回事。当原子被锁定在固体晶体中时，环境会模糊这种尖锐的跃迁，就像试图在嘈杂拥挤的房间里听清一把小提琴的声音。研究人员旨在测试这种钧原子核在置于固体晶体中时，是否仍能保持其完美的精度，或者周围的材料是否会破坏这一信号。
为了进行调查，该团队使用了位于德国的世界上最强大的 X 射线机之一：欧洲 X 射线自由电子激光器。他们发射了极短且强烈的 X 射线脉冲，其能量经过精确调节，以激发钧原子核。他们将不同形式的钧样本（纯金属、氧化物、氮化物和一种复杂的晶体）放置在特殊的腔室中，并将其冷却到极低温度，以最大限度地减少热噪声。目标有两个：首先，确认这些原子核确实可以被激发，并且在固体内部确实能存活那么长的半秒钟；其次，观察是否能探测到一种被称为“核前向散射”的特定类型信号。这种信号发生在受激原子核以一种协调的、波状方式释放能量时，这是时钟完美运行的标志。如果原子核表现得像一个统一的整体，那么在 X 射线脉冲停止后，信号应该会持续一段可测量的时长。
实验在第一个层面上取得了明确的结果。通过测量受激原子核衰变时发出的光，团队证实了钧原子核在固体材料中确实能存活约 0.46 秒。这是一个至关重要的验证，证明了即使在原子被紧密封装在固体晶格中时，这种长寿命状态依然存在。他们还探测到了一个在 12.4 keV 特定能量下的微弱延迟信号，这证实了原子核正在以 X 射线形式释放能量，这是任何未来时钟应用中的必要步骤。通过计算这种 X 射线信号与其他类型原子发光信号的比率，他们计算出了一个与原子核如何与其自身电子相互作用相关的特定物理常数，发现其与理论预测一致。
然而，当研究人员寻找那种能够表明时钟完美同步的、协调的波状信号时，他们却一无所获。尽管使用了高灵敏度的探测器并进行了长时间观察，但在最初的两个毫秒之后，并未出现具有统计学意义的信号。在理想状态下（即固体材料不产生干扰的情况下），该信号本应持续更长时间。这种信号的缺失表明，固体晶体内部的环境导致原子核几乎立即失去了它们的同步性。研究人员利用计算机模拟分析了这一结果，并得出结论：固体环境对原子核跃迁尖锐度的模糊程度至少是其自然极限的 500 倍。这种模糊现象很可能是由晶体内部微小的磁场和电场变化引起的，这些变化使得每个原子核的能量发生了轻微偏移，导致它们无法步调一致。
这一发现并不意味着基于钧的核钟是不可能的，但它为目前所能实现的技术设定了一个清晰的界限。研究表明，虽然钧原子核具有成为极其稳定参考标准的潜力，但我们目前用于承载它的固体材料过于“嘈杂”，无法保持这种稳定性。这种模糊效应非常显著，使时钟的潜在精度降低了数个数量级。研究人员建议，未来的进展将取决于寻找缺陷更少的更好晶体材料，以及开发能够重新收窄信号的新技术。虽然核钟的梦想依然存在，但这项工作提供了一个至关重要的现实检验，明确展示了要驯服固体状态环境并释放原子核计时全潜力，还有多少工作要做。
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