Momento marcante para o desenvolvimento do relógio nuclear

O trabalho da equipe, liderado pelo físico sênior do Laboratório Nacional de Argonne, Dr. Yuri Shvyd’ko, pela primeira vez excitou ressonantemente o isômero nuclear escândio-45 com os pulsos de raios X mais brilhantes do mundo na instalação europeia de laser de raios X XFEl (EuXFEL). e determinou a posição desta ressonância nuclear com uma precisão sem precedentes. Suas descobertas são relatadas na revista Naturezatanto online quanto na edição impressa de 19 de outubro.

“Relógios atômicos, como o relógio de césio-133 ou o relógio de estrôncio-87, dependem de oscilações de elétrons em um átomo, que pode oscilar em frequências altamente confiáveis ​​quando excitado por micro-ondas ou radiação óptica”, explicou Kocharovskaya, investigador principal do Projeto da National Science Foundation (NSF) que iniciou e apoiou esta pesquisa.

O escândio, um elemento utilizado em componentes aeroespaciais e equipamentos desportivos, permite uma precisão de um segundo em 300 mil milhões de anos, ou cerca de mil vezes mais precisão do que o actual relógio atómico padrão. A combinação de escândio-45 e pulsos de raios X ultrabrilhantes traz aos cientistas um passo decisivo mais próximo da criação do primeiro relógio nuclear que poderia aproveitar a oscilação do núcleo atômico em vez de sua camada de elétrons.

“Para propósitos que exigem tal precisão, incluindo o estudo de certos aspectos da relatividade, teoria gravitacional e outros fenômenos físicos, como a matéria escura, o relógio nuclear é o relógio definitivo”, disse o Dr. Xiwen Zhang, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Kocharovskaya que foi coautor do artigo.

Com sua precisão de até uma parte em 10.000.000.000.000.000.000, o físico da Texas A&M Dr. Grigory V. Rogachev observa que os relógios nucleares poderiam inaugurar uma nova era de cronometragem de precisão e permitir aplicações transformadoras em inúmeras áreas, resultando em uma série de aplicações e avanços.

“A humanidade tem procurado a tecnologia para fabricar os relógios mais precisos desde o início da era moderna”, disse Rogachev, chefe do Texas A&M Physics and Astronomy e membro do Texas A&M Cyclotron Institute. “Atualmente, os relógios atômicos são os melhores. A Dra. Kocharovskaya e seus colaboradores estão agora dando o primeiro passo em direção a uma tecnologia nova e inovadora. Sua pesquisa abre um novo caminho para utilizar as propriedades únicas do isótopo escândio-45 para criar o máximo relógio mais preciso de todos os tempos – o relógio nuclear. Este avanço pode ter aplicações interessantes em metrologia extrema, espectroscopia ultra-alta e potencialmente em vários outros campos.”

Os interesses de pesquisa de Kocharavskaya durante a última década concentraram-se na extensão do campo da óptica quântica tradicional – que ela descreve como lidando com interações ressonantes controláveis ​​entre fótons ópticos e transições atômicas – para o campo emergente da óptica quântica nuclear/de raios-X focada no controle da interação ressonante entre fótons de raios X e transições nucleares. No processo, ela identificou o escândio-45, com seu estado de energia de longa duração e primeira excitação, como o candidato superior tanto para o armazenamento nuclear quântico quanto para o relógio nuclear. A principal questão, diz ela, era se seria viável chegar a este estado com as fontes de raios X disponíveis.

Juntamente com Shvyd’ko, que imaginou o alto potencial do escândio-45 para espectroscopia nuclear direta coerente de super-resolução, juntamente com a possibilidade de sua excitação ressonante por raios X de uma nova geração emergente de instalações baseadas em aceleradores, 30 anos atrás, Kocharovskaya escreveu uma proposta à NSF visando a excitação ressonante de um isômero nuclear escândio-45 usando pulsos de raios-X.

“Inicialmente, recebeu críticas mistas, pois foi considerado um projeto de alto risco e alto retorno, mas eventualmente foi financiado, permitindo-nos planejar o experimento na EuXFEL”, disse Kocharovskaya, membro do Texas A&M Institute for Quantum Science. e Engenharia.

Kocharovskaya credita Shvyd’ko não apenas como o líder da pesquisa do grupo, mas também como uma inspiração para toda a equipe. Desde a coordenação dos esforços de todos os grupos que entram em cada detalhe do projeto até a realização de reuniões semanais no Zoom para discutir os múltiplos desafios e o progresso na preparação para o experimento, ela diz que sua liderança e trabalho árduo forneceram um exemplo tangível do que significa exatamente ver um sonho científico de longo prazo se torne realidade. Além disso, ela observa que o projeto não teria sucesso sem as importantes contribuições dos seus colegas alemães: Dr. Ralf Röhlsberger do DESY e do Instituto Helmholtz, Jena; Dr. Jörg Evers do Instituto Max Planck de Física Nuclear, Heidelberg; e Drs. Anders Madsen e Gianlcuca Geloni da EuXFEL, junto com os grupos que cada um lidera.

“Assim que a ressonância foi observada nas primeiras horas após a coleta de dados, todos comemoramos com alegria esse sucesso”, acrescentou ela. “Foi gratificante para todos nós, mas especialmente para Yuri, que percebeu o alto potencial científico do escândio-45 para espectroscopia nuclear de super-resolução e a possibilidade de excitá-lo com modernas fontes de raios X baseadas em aceleradores, há 33 anos.”

Nunca descansando sobre os louros, a equipe já está focada nas próximas etapas e objetivos, começando pela determinação da energia de transição ressonante com precisão ainda maior e medindo o tempo de vida exato de um estado isômero. Além disso, há também a observação do espalhamento nuclear direto coerente e a medição da largura de linha da transição nuclear.

“Os próximos dois passos podem ser alcançados de uma forma relativamente simples”, reconheceu Zhang. “Embora a terceira etapa seja extremamente desafiadora, é absolutamente crítica para estimar a precisão e a estabilidade projetadas de qualquer relógio nuclear futuro. Como grupo e como equipe de pesquisa mais ampla, todos estamos ansiosos pelo desafio.”