शोधकर्ताओं की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने नई पीढ़ी की अधिक सटीक परमाणु घड़ियों की दिशा में एक निर्णायक कदम उठाया है। यूरोपीय एक्सएफईएल एक्स-रे लेजर में, शोधकर्ताओं ने स्कैंडियम तत्व पर आधारित एक अधिक सटीक पल्स जनरेटर बनाया है जो 300 अरब वर्षों में एक सेकंड तक सटीक हो सकता है, जो वर्तमान मानक सीज़ियम-आधारित परमाणु घड़ी से लगभग एक हजार गुना अधिक सटीक है। टीम ने 27 सितंबर को नेचर जर्नल में अपने नतीजे प्रस्तुत किए।
कलाकार द्वारा स्कैंडियम परमाणु घड़ी का प्रतिपादन: वैज्ञानिकों ने स्कैंडियम नाभिक में एक प्रक्रिया को उत्तेजित करने के लिए यूरोपीय एक्सएफईएल से एक्स-रे दालों का उपयोग किया जो 300 अरब वर्षों में एक सेकंड की अभूतपूर्व सटीकता के साथ एक घड़ी संकेत उत्पन्न करता है। स्रोत: यूरोपीय एक्सएफईएल/हेल्महोल्त्ज़ संस्थान जेना, टोबियास वुस्टेफेल्ड/राल्फ़ रोहल्सबर्गर
वर्तमान परमाणु घड़ी तंत्र
परमाणु घड़ियाँ वर्तमान में दुनिया की सबसे सटीक टाइमकीपर हैं। ये घड़ियाँ समय को परिभाषित करने के लिए पल्स जनरेटर के रूप में सीज़ियम जैसे रासायनिक तत्वों की परमाणु परतों में इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करती हैं। ज्ञात आवृत्तियों के माइक्रोवेव का उपयोग करके इन इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा स्तर तक बढ़ाया जा सकता है। इस प्रक्रिया में, वे माइक्रोवेव विकिरण को अवशोषित करते हैं।
परमाणु घड़ी सीज़ियम परमाणुओं पर माइक्रोवेव उत्सर्जित करती है और माइक्रोवेव के अवशोषण को अधिकतम करने के लिए विकिरण की आवृत्ति को समायोजित करती है; विशेषज्ञ इसे अनुनाद कहते हैं। माइक्रोवेव उत्पन्न करने वाले क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स को अनुनाद की मदद से स्थिर किया जा सकता है, जिससे सीज़ियम घड़ियाँ 300 मिलियन वर्षों तक एक सेकंड के भीतर सटीक हो सकती हैं।
परमाणु घड़ी की सटीकता के लिए महत्वपूर्ण है प्रयुक्त अनुनाद की चौड़ाई। वर्तमान सीज़ियम परमाणु घड़ियाँ पहले से ही बहुत संकीर्ण अनुनादों का उपयोग करती हैं; स्ट्रोंटियम परमाणु घड़ियाँ और भी अधिक सटीक हैं, प्रत्येक 15 अरब वर्ष में केवल एक सेकंड की सटीकता के साथ। इस इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना पद्धति का उपयोग करके और सुधार हासिल करना लगभग असंभव है। इसलिए दुनिया भर की टीमें "परमाणु" घड़ियों की अवधारणा पर वर्षों से काम कर रही हैं, जो परमाणु गोले में संक्रमण के बजाय पल्स जनरेटर के रूप में परमाणु नाभिक में संक्रमण का उपयोग करती हैं। परमाणु कोश में इलेक्ट्रॉनों की प्रतिध्वनि की तुलना में परमाणु प्रतिध्वनि बहुत अधिक हिंसक होती है, लेकिन उन्हें उत्तेजित करना भी अधिक कठिन होता है।
स्कैंडियम द्वारा लाया गया ब्रेकथ्रू
यूरोपीय एक्सएफईएल में, टीम अब तत्व स्कैंडियम के नाभिक में आशाजनक परिवर्तनों को प्रेरित कर सकती है, जो उच्च शुद्धता धातु फ़ॉइल या यौगिक स्कैंडियम डाइऑक्साइड के रूप में आसानी से उपलब्ध है। इस अनुनाद के लिए 12.4 keV (दृश्य प्रकाश की ऊर्जा का लगभग 10,000 गुना) और केवल 1.4 फेमटोइलेक्ट्रॉनवोल्ट (feV) की चौड़ाई वाली एक्स-रे की आवश्यकता होती है। यह एक इलेक्ट्रॉन वोल्ट का 1.4 ट्रिलियनवां हिस्सा है, उत्तेजना ऊर्जा (10-19) का लगभग दसवां हिस्सा। इससे 1:10,000,000,000,000 की सटीकता संभव हो जाती है।
"यह 300 अरब वर्षों में एक सेकंड के बराबर है," DESY के शोधकर्ता राल्फ़ रोहल्सबर्गर ने कहा, जो जेना में हेल्महोल्ट्ज़ इंस्टीट्यूट में काम करते हैं, जो हेवी आयन रिसर्च के लिए जीएसआई हेल्महोल्ट्ज़ सेंटर, हेल्महोल्ट्ज़ ज़ेंट्रम ड्रेसडेन-रोसेन्डोर्फ (HZDR) और हेल्महोल्ट्ज़ ज़ेंट्रम का एक संयुक्त संस्थान है। .
अनुप्रयोग और भविष्य की संभावनाएँ
परमाणु घड़ियों में कई अनुप्रयोग होते हैं जो बढ़ी हुई सटीकता से लाभान्वित होते हैं, जैसे उपग्रह नेविगेशन का उपयोग करके सटीक स्थिति। संयुक्त राज्य अमेरिका में प्रयोग और आर्गन नेशनल लेबोरेटरी के प्रोजेक्ट लीडर यूरी श्वेडको ने बताया, "स्कैंडियम अनुनाद की वैज्ञानिक क्षमता 30 साल से भी पहले खोजी गई थी।" यूरोपीय XFELMID प्रायोगिक स्टेशन जहां प्रयोग आयोजित किया गया था, के मुख्य वैज्ञानिक एंडर्स मैडसेन ने कहा, "हालांकि, अब तक, कोई भी एक्स-रे स्रोत स्कैंडियम की संकीर्ण 1.4feV लाइन के भीतर पर्याप्त उज्ज्वल प्रकाश उत्सर्जित करने में सक्षम नहीं हुआ है।" "केवल यूरोपीय एक्सएफईएल जैसे एक्स-रे लेजर ने इस स्थिति को बदल दिया है।"
इस अभूतपूर्व प्रयोग में, टीम ने एक्स-रे लेजर के साथ 0.025 मिमी मोटी स्कैंडियम फ़ॉइल को रोशन किया और उत्तेजित नाभिक द्वारा उत्सर्जित विशिष्ट आफ्टरग्लो का पता लगाने में सक्षम हुए, जो स्कैंडियम की अत्यंत संकीर्ण अनुनाद रेखाओं का स्पष्ट प्रमाण है।
परमाणु घड़ियों के निर्माण के लिए अनुनाद ऊर्जा का सटीक ज्ञान भी महत्वपूर्ण है, दूसरे शब्दों में, एक्स-रे लेजर विकिरण की ऊर्जा जिस पर अनुनाद होता है। उन्नत चरम शोर दमन और उच्च-रिज़ॉल्यूशन क्रिस्टल ऑप्टिक्स ने प्रयोग में स्कैंडियम अनुनाद ऊर्जा मूल्य को 12.38959keV पर पांच दशमलव स्थानों के भीतर निर्धारित करने की अनुमति दी, जो पहले की तुलना में 250 गुना अधिक सटीक है।
हीडलबर्ग में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर न्यूक्लियर फिजिक्स में डेटा विश्लेषण के प्रमुख जोर्ग एवर्स जोर देते हैं: "संक्रमण ऊर्जा का सटीक निर्धारण एक प्रमुख प्रगति का प्रतीक है। स्कैंडियम-आधारित परमाणु घड़ियों की प्राप्ति के लिए इस ऊर्जा का सटीक ज्ञान महत्वपूर्ण है।"
शोधकर्ता अब ऐसी परमाणु घड़ी को साकार करने की दिशा में आगे के कदम तलाश रहे हैं। श्वेद्को बताते हैं: "स्कैंडियम अनुनाद उत्तेजना में सफलता और इसकी ऊर्जा की सटीक माप न केवल परमाणु घड़ियों के लिए नए रास्ते खोलती है, बल्कि अल्ट्रा-उच्च-सटीक स्पेक्ट्रोस्कोपी और मौलिक भौतिक प्रभावों की सटीक माप के लिए भी नए रास्ते खोलती है।"
नेशनल साइंस फाउंडेशन द्वारा वित्त पोषित परियोजना के आरंभकर्ता और नेता, टेक्सास ए एंड एम विश्वविद्यालय, यूएसए के ओल्गा कोचारोव्स्काया ने कहा: "इस तरह की उच्च सटीकता, उदाहरण के लिए, सबमिलिमीटर दूरी पर गुरुत्वाकर्षण समय फैलाव का पता लगाने की अनुमति दे सकती है। इससे अब तक अप्राप्य लंबाई के पैमाने पर सापेक्ष प्रभावों का अध्ययन करने में मदद मिलेगी।"