Nature：提高2个数量级！
学研汇 技术中心
纳米人
2023-10-16
特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。具有稳定频率和大品质因数的谐振振荡器有助于保持高精度的时间跟踪。如腕表中的石英晶体振荡器和原子钟中的原子振荡器，它们是目前最精确的时间测量设备。近年来，核振荡器被发现具有天然的更高的品质因数和对外部扰动更高的恢复能力，其中最有前景的是45Sc在基态和12.4 keV同核异能态之间的超窄核共振跃迁，其寿命为0.47 s。然而，45Sc的共振激发需要加速器驱动的高亮度X射线源，这严重限制了其应用。有鉴于此，阿贡国家实验室Yuri Shvyd’ko等人报告了通过使用最先进的X射线自由电子激光器的12.4 keV 光子脉冲照射Sc金属箔，对45Sc异构态进行共振X射线激发，并检测核衰变产物。跃迁能确定为 
，不确定性比之前已知的值小两个数量级。这些进步使得该异构体能够在极限计量、核钟技术、超高精度光谱学和类似应用中得到应用。随着现代X射线自由电子激光器(XFEL)的出现，几种低能量且长寿命的核异构体共振已触手可及。其中最有前途的是45Sc，其具有极高的Q品质因数，比57Fe的14.4-keV共振大六个数量级。此外，45Sc 是一种稳定同位素，天然丰度为100%，很容易以超纯Sc金属或 Sc2O3形式获得，使得45Sc优于任何其他穆斯堡尔核钟候选者。本工作报告了使用XFEL脉冲对 45Sc的长寿命超窄12.4-keV核态的共振激发，将之前已知不确定度仅为±50 eV的跃迁能的确定精度提高了100倍以上。
图 45Sc核12.4 keV第一激发态的激发和衰变方案EuXFEL产生的X射线用于激发固态靶中的45Sc原子核，激发后检测到的核衰变产物具有约τ0的特征延迟。由于X射线探测器不需要特殊的环境，作者选择检测X射线荧光，重点关注4-keV光子的检测。使用单次光谱仪(SSS)连续测量相对光子能量，然后使用邦德光谱仪测量将其与绝对能量尺度相关联。数据采集时间约为30小时，约1020个光子被引导至45Sc，总共检测到约93个核衰变事件。由于探测器背景极低，这个数字足以揭示45Sc共振并高精度地确定共振能量。
作者展示了来自上游和下游衰变探测器Du和Dd的计数的二维图，以及在所有入射光子能量Ei下能量Ef≲26keV的所有检测到的光子的图。结果表明探测到了被XFEL脉冲共振激发的45Sc原子核的长寿命12.4 keV激发态的衰变产物，在该实验中无法检测到NFS信号。
作者将数据的刻度表示为归一化计数，通过光谱上的积分表示实验中记录的延迟K壳层荧光光子的总数以及核磁共振辅助 K 壳层荧光产率。实验数据结果表明峰值产量为
如果使用较小的α和 αK 值，则理论峰产率和实验峰产率之间会取得更好的一致性，作者同样展示了优化后的α和αK值以及使用这些内部转换系数计算出的核共振截面σ0。
图 时延Sc K壳层荧光作为入射 X 射线光子能量的函数Shvyd’ko, Y., Röhlsberger, 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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