.Precision Perfected: How Nuclear Clocks Are Changing Time

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.Precision Perfected: How Nuclear Clocks Are Changing Time

완벽한 정밀도: 핵시계가 시간을 바꾸는 방법

JILA 에 의해2024년 12월 18일

고급 시간 유지 시계 아트 컨셉 연구팀은 얇은 사불화 토륨 필름을 만들어 핵시계 기술을 혁신하고, 시계의 정밀도를 높이고 방사능을 줄였습니다. 이러한 발전은 정확한 시간 측정이 필요한 분야에서 상당한 개선을 약속합니다. 출처: SciTechDaily.com

과학자들은 사불화 토륨의 얇은 필름을 사용하여 핵시계를 개발하고 있는데, 이는 이전 모델보다 방사성이 낮고 비용 효율성이 높아 정밀한 시간 측정에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

협력 연구팀이 개척한 이 새로운 기술은 더 쉽게 접근하고 확장 가능한 핵시계를 구현할 수 있게 해주며, 머지않아 실험실 환경을 넘어 통신 및 항해와 같은 실용적 응용 분야로 확장될 가능성이 있습니다. 핵시계 기술의 혁신 초정밀 시간 측정을 추구하는 과학자들은 핵시계로 눈을 돌렸습니다. 전자 전이에 의존하는 광학 원자시계와 달리 핵시계는 원자핵 내의 에너지 전이를 측정합니다 .

이러한 핵 전이는 외부 힘의 영향을 훨씬 덜 받아 시간 측정에서 타의 추종을 불허하는 정확성을 제공할 수 있는 잠재력을 제공합니다 . 그러나 그러한 시계를 만드는 것은 도전이었습니다. 핵 시계의 핵심 동위 원소인 토륨-229는 희귀하고 방사성이 있으며 전통적으로 필요한 대량으로 얻기에는 엄청나게 비쌉니다.

오늘(12월 18일) Nature 에 발표된 새로운 연구에서 콜로라도 볼더 대학의 물리학 교수이자 JILA 및 NIST 펠로우인 Jun Ye가 이끄는 연구팀은 UCLA 물리학 및 천문학과의 Eric Hudson 교수 팀과 함께 획기적인 방법을 개발했습니다. 그들은 사불화 토륨(ThF₄)의 박막을 만들어 핵 시계를 1,000배나 덜 방사능이 강하고 훨씬 더 저렴하게 만들었습니다.

박막의 성공적인 사용은 핵시계 개발의 잠재적인 전환점을 나타낸다. 핵시계에서 박막 기술을 사용하는 것은 반도체 와 광자 집적 회로와 상응하며, 이는 미래의 핵시계가 더 접근 가능하고 확장 가능할 수 있음을 시사한다.

Ye는 "핵시계의 주요 장점은 휴대성이고, 이러한 매력적인 잠재력을 최대한 발휘하려면 시스템을 더 컴팩트하고, 저렴하고, 사용자에게 방사선 친화적으로 만들어야 합니다."라고 말했습니다.

ThF4 박막 공정 개요

ThF4 박막 공정 개요 토륨 이온이 증발하여 기판 표면에 얇은 필름으로 증착되는 증착 공정의 개략도. 출처: Steven Burrows/Ye 그룹 및 JILA

핵 시계 제작 비용

JILA는 수십 년 동안 원자 및 광학 시계 연구의 최전선에 있었으며, Ye의 연구실은 정밀 시간 측정의 새로운 표준을 정립한 광학 격자 시계의 개념, 설계 및 구현을 발전시키는 데 선구적인 공헌을 했습니다. 물리학자들은 토륨-229의 에너지 전이를 거의 50년 동안 관찰하려고 노력해 왔습니다 .

2024년 9월, Ye의 연구실 연구원들은 핵 전이의 첫 번째 고해상도 스펙트럼을 보고하고 JILA Sr 광학 격자 시계를 기반으로 절대 주파수를 결정했습니다. 그들의 결과는 Nature 에 표지 기사로 게재되었습니다 .

연구팀은 비엔나 대학의 연구자들과 협력하여 방사성 토륨-229 결정을 사용해 핵 시계 장치를 구축했습니다. "그 결정의 성장은 그 자체로 하나의 예술이며, 비엔나의 우리 협력자들은 이 측정을 위해 멋진 단결정을 성장시키기 위해 수년간 노력했습니다." JILA의 대학원생이자 두 Nature 연구의 첫 번째 저자인 Chuankun Zhang이 설명합니다. 토륨 도핑 결정을 사용한 이전 접근 방식은 더 많은 방사성 물질이 필요했습니다. 토륨-229는 종종 핵 붕괴를 통해 우라늄에서 공급되므로 추가적인 방사선 안전 및 비용 고려 사항이 발생합니다.

"토륨-229는 무게 기준으로 제가 과거에 작업했던 일부 맞춤형 단백질보다 더 비쌉니다." 이 프로젝트에도 참여한 JILA 박사후 연구원 제이크 히긴스가 덧붙여 말했습니다. "그래서 가능한 한 적은 재료로 이 작업을 해야 했습니다." 연구원들은 CU 볼더의 환경 건강 및 안전 부서와 긴밀히 협력하여 핵 시계를 안전하게 제작하고 연구했습니다.

연구팀은 토륨이 도핑된 결정에서 핵 전이를 관찰하는 동시에 방사성 토륨의 필요량을 줄이기 위해 박막 코팅을 개발하여 시계를 더 안전하고 비용 효율적으로 만드는 방법을 모색했습니다.

토륨 기화

연구자들은 박막을 생산하기 위해 물리적 기상 증착(PVD)이라는 공정을 사용했는데, 이는 챔버에서 토륨 플루오라이드를 증발할 때까지 가열하는 것을 포함합니다. 그런 다음 증발된 원자는 기판에 응축되어 약 100나노미터 두께의 얇고 균일한 토륨 플루오라이드 층을 형성합니다.

연구자들은 핵 전이를 자극하는 데 사용되는 자외선에 대한 투명성 때문에 사파이어와 마그네슘 플루오라이드를 기판으로 선택했습니다. "기판이 아주 가까이에 있으면 증발된 불화토륨 분자가 기판에 닿아 달라붙기 때문에 균일하고 얇은 필름이 형성됩니다." 장이 말했습니다. 이 방법은 토륨-229의 마이크로그램만을 사용하여 제품을 방사능이 1,000배나 덜한 동시에 활성 토륨 핵의 밀도 있는 층을 생성했습니다.

JILA Keck Metrology 연구실과 JILA 기기 제작자 Kim Hagen과 협력하여 연구자들은 레이저를 사용하여 잠재적 핵 전이를 테스트할 수 있는 필름을 안정적으로 재생성했습니다. 박막 핵시계의 잠재력과 과제 하지만 팀은 새로운 도전에 직면했습니다. 모든 토륨 원자가 질서 있는 환경에 위치한 결정과 달리, 박막은 토륨 환경에 변화를 일으켜 에너지 전환을 바꾸고 덜 일관되게 만들었습니다.

이 연구에도 참여한 JILA 대학원생 잭 도일은 "볼프강 파울리는 '신이 덩어리를 발명했고 표면은 악마의 것'이라고 말했다는 소문이 있지만, 특정 표면에 대해 알아내기 어려운 요인의 수가 엄청나기 때문에 그렇게 말했을 수도 있습니다."라고 자세히 설명합니다.

필름을 준비한 후, JILA 연구원들은 이를 UCLA의 에릭 허드슨 교수에게 보냈고, 허드슨 교수는 훨씬 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진 고출력 레이저를 사용하여 핵 전이를 테스트했습니다. 이 광범위 스펙트럼 레이저는 더 넓은 스펙트럼 거리에 걸쳐 규칙적으로 간격을 둔 스펙트럼 선을 가진 주파수 빗 대신 모든 광학 전력이 하나의 스펙트럼 위치에 집중되어 있습니다.

이를 통해 UCLA 팀은 이전 연구에서 관찰된 선폭이 이전에 본 것보다 더 넓었음에도 불구하고 토륨 핵을 효과적으로 여기시킬 수 있었습니다. 레이저의 에너지가 전이에 필요한 에너지와 정확히 일치했을 때, 핵은 원래 상태로 이완되면서 광자를 방출했습니다.

이러한 방출된 광자를 감지함으로써 연구원들은 성공적인 핵 여기를 확인하고, 박막이 핵 시계의 주파수 기준으로 사용될 수 있는 잠재력을 검증할 수 있었습니다. "우리는 얇은 필름을 만들고, 특성을 분석했고, 꽤 좋아 보였어요." 이 연구에도 참여한 JILA 대학원생 티안 우이가 설명합니다. "핵 붕괴 신호가 실제로 존재한다는 것을 보는 것은 멋진 일이었어요." 정밀 시간 측정의 미래 연구자들은 이러한 연구 결과를 바탕으로 핵시계에 박막을 사용함으로써 정확한 시간 측정이 향상될 것으로 기대하고 있습니다. "고체 상태에서 시계를 사용하는 것의 일반적인 이점은 갇힌 이온 설정과 달리 원자의 수가 훨씬 더 많다는 것입니다." 히긴스가 자세히 설명합니다.

"이온 트랩에서 실현 가능한 것보다 수십 배나 더 많은 원자가 있어서 시계의 안정성에 도움이 됩니다." 이러한 얇은 필름을 사용하면 핵 시간 측정이 실험실 환경 너머로 확장되어 소형이고 휴대하기 편리해질 수도 있습니다. "손목에 착용할 수 있는 무언가를 상상해보세요." Ooi가 말합니다. "아주 먼 미래에 모든 것을 그 수준으로 소형화할 수 있다고 상상해보세요."

이 정도의 휴대성은 아직 먼 목표이기는 하지만 통신부터 항해까지 정확한 시간 측정에 의존하는 분야에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 도일은 "운이 좋다면 새로운 물리학에 대한 정보도 알려줄 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 참고문헌: “고체 핵시계용 229ThF4 박막” 2024년 12월 18일, Nature . DOI: 10.1038/s41586-024-08256-5 이 연구는 육군 연구국, 공군 과학 연구국, 국가 과학 재단, 국가 표준 기술 연구소(NIST)의 지원을 받았습니다.

https://scitechdaily.com/precision-perfected-how-nuclear-clocks-are-changing-time/

메모 2412190620 소스1.분석중_【】

1.
완벽한 정밀도: 핵시계가 시간을 바꾸는 방법은 얇은 사불화 토륨 필름을 만들어 핵시계 기술을 혁신하고, 시계의 정밀도를 높이고 방사능을 줄였다.. 이러한 발전은 정확한 시간 측정이 필요한 분야에서 상당한 개선 이상으로 상상을 약속한다. 과학자들은 사불화 토륨의 얇은 필름을 사용하여 핵시계를 개발하고 있는데, 이는 이전 모델보다 방사성이 낮고 비용 효율성이 높아 정밀한 시간 측정에 혁명을 일으킬 수 있다. 협력 연구팀이 개척한 이 새로운 기술은 더 쉽게 접근하고 확장 가능한 핵시계를 구현할 수 있게 해주며, 머지않아 실험실 환경을 넘어 통신 및 항해와 같은 실용적 응용 분야로 확장될 가능성이 있다.

B메모 2412190648 소스1.분석중_【】

4.
광범위 스펙트럼 레이저는 더 넓은 스펙트럼 거리에 걸쳐 규칙적으로 간격을 둔 스펙트럼 선을 가진 주파수 빗 대신 모든 광학 전력이 하나의 스펙트럼 위치에 집중되어 있다. 이를 통해 UCLA 팀은 이전 연구에서 관찰된 선폭이 이전에 본 것보다 더 넓었음에도 불구하고 토륨 핵을 효과적으로 여기시킬 수 있었다.

레이저의 에너지가 전이에 필요한 에너지와 정확히 일치했을 때, 핵은 원래 상태로 이완되면서 광자를 방출했다. 이러한 방출된 광자를 감지함으로써 연구원들은 성공적인 핵 여기를 확인하고, 박막이 핵 시계의 주파수 기준으로 사용될 수 있는 잠재력을 검증할 수 있었다.

4-1.정밀 시간 측정의 미래

연구자들은 이러한 연구 결과를 바탕으로 핵시계에 박막을 사용함으로써 정확한 시간 측정이 향상될 것으로 기대하고 있습니다.

고체 상태에서 시계를 사용하는 것의 일반적인 이점은 갇힌 이온 설정과 달리 원자의 수가 훨씬 더 많다는 것이다. 이온 트랩에서 실현 가능한 것보다 수십 배나 더 많은 원자가 있어서 시계의 안정성에 도움이 된다.

이러한 얇은 필름을 사용하면 핵 시간 측정이 실험실 환경 너머로 확장되어 소형이고 휴대하기 편리해질 수도 있다.

[4-1]손목에 착용할 수 있는 무언가를 상상해보자. 아주 먼 미래에 모든 것을 그 수준으로 소형화할 수 있다]고 상상해보자. 이 정도의 휴대성은 아직 먼 목표이기는 하지만 통신부터 항해까지 정확한 시간 측정에 의존하는 분야에 혁명을 일으킬 수 있다. 운이 좋다면 새로운 물리학에 대한 정보도 알려줄 수 있을 것이다.

_[4-1】초정밀 중성자 손목시계를 활용하면 방금 우주의 어느지역에서 날아온 중성미자가 인체의 세포하나 어느 세포을 막 통과하여 dna 30억 염기의 xxxyyyu위치를 변경하고 있는지 알아낼 수 있다. 어허.

이 중성자는 다이야몬드 모드로 susqer.bar는 중간 위치에 있으며 zz'.bar가 아래위로 극점을 규칙적으로 이동시킨다. 그반대일 수도 있다.

5.
[5]손목에 착용할 수 있는 무언가를 상상해보자. 아주 먼 미래에 모든 것을 그 수준으로 소형화할 수 있다]고 상상해보자. 이 정도의 휴대성은 아직 먼 목표이기는 하지만 통신부터 항해까지 정확한 시간 측정에 의존하는 분야에 혁명을 일으킬 수 있다. 운이 좋다면 새로운 물리학에 대한 정보도 알려줄 수 있을 것이다.

_[5】초정밀 중성자 손목시계를 활용하면 방금 우주의 어느지역에서 날아온 중성미자가 인체의 세포하나 어느 세포을 막 통과하여 dna 30억 염기의 xxxyyyu위치를 변경하고 있는지 알아낼 수 있다. 어허. 먼우주의 초신성 사건으로 내 손목에서 핵 붕괴 신호가 실제로 존재한다는 것을 본다는 것은 즐거운 일이다. 어어허.

이 중성자는 2d 박막 다이야몬드 모드로 susqer.bar는 중간 위치에 있으며 zz'.bar가 아래위로 극점을 규칙적으로 이동시킨다. 그반대일 수도 있다. qpeoms의 susqer는 다이야몬드 모드 중간에 있는 zz'mode에 있어서 최대 길이의 msbase 중간위치에 있으며 이곳에 susqer.spin.bar.xz이 상하좌우로 2방향으로 순간적으로 이동하면 yz'에 위치한 두개의 상하극은 한방향의 움직인다. 이것이 매우 규칙적인 것은 두개의 발이 흔들면 몸하나가 앞뒤으로 나가는 것에 비유된다. 어허.

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Note 2412190620 Source 1. Analysis_【】

1.
Perfect Precision: How Nuclear Clocks Change Time The creation of a thin film of thorium tetrafluoride revolutionized nuclear clock technology, increasing the precision of the clock and reducing radioactivity. This advancement promises to be a major improvement in areas where precise timekeeping is needed.

Scientists are developing a nuclear clock using a thin film of thorium tetrafluoride, which could revolutionize precise timekeeping by being less radioactive and more cost-effective than previous models.

This new technology, pioneered by a collaborative research team, could make nuclear clocks more accessible and scalable, and could soon extend beyond the laboratory setting to practical applications such as communications and navigation.

2. Innovations in Nuclear Clock Technology
Scientists seeking ultra-precise timekeeping have turned to nuclear clocks. Unlike optical atomic clocks, which rely on electron transitions, nuclear clocks measure energy transfers within the nucleus. These nuclear transitions offer the potential to provide unparalleled accuracy in timekeeping, as they are far less affected by external forces.

However, making such a clock has been a challenge. The key isotope for nuclear clocks, thorium-229, is rare, radioactive, and traditionally prohibitively expensive to obtain in the quantities needed.

2-1.
The team has developed a groundbreaking method. They have created thin films of thorium tetrafluoride (ThF₄), making nuclear clocks 1,000 times less radioactive and much cheaper. The successful use of the thin films represents a potential turning point in the development of nuclear clocks. The use of thin film technology in nuclear clocks is comparable to that of semiconductor and photonic integrated circuits, suggesting that future nuclear clocks could be more accessible and scalable.

Ye said, "The main advantage of nuclear clocks is their portability, and to fully exploit this attractive potential, the system must be made more compact, inexpensive, and radiation-friendly for the user.

A schematic of the deposition process in which thorium ions are vaporized and deposited on the surface of a substrate as a thin film.

3. Thorium Vaporization
The researchers used a process called physical vapor deposition (PVD) to produce the thin film, which involves heating thorium fluoride in a chamber until it vaporizes. The vaporized atoms then condense on the substrate, forming a thin, uniform layer of thorium fluoride about 100 nanometers thick. The researchers chose sapphire and magnesium fluoride as substrates because of their transparency to ultraviolet light, which is used to stimulate nuclear transitions.

When the substrate is very close, the vaporized thorium fluoride molecules will touch the substrate and stick to it, forming a uniform, thin film. This method uses only micrograms of thorium-229, making the product 1,000 times less radioactive while also creating a dense layer of active thorium nuclei.

3-1. Potential and Challenges of Thin-Film Nuclear Clocks
But the team faced a new challenge. Unlike crystals, where all thorium atoms are located in an ordered environment, the thin film changed the thorium environment, altering the energy transitions and making them less consistent. God invented the lump, and the surface is the devil’s, because the number of factors that are difficult to determine for a given surface is enormous.

4.
A broad-spectrum laser focuses all of its optical power on a single spectral location, rather than a frequency comb with regularly spaced spectral lines over a wider spectral distance. This allowed the UCLA team to effectively excite thorium nuclei, even though the linewidths observed in previous studies were wider than those seen before.

When the laser energy was precisely matched to the energy required for the transition, the nuclei released photons as they relaxed to their original state. By detecting these emitted photons, the researchers were able to confirm successful nuclear excitation and verify the potential of the thin film as a frequency reference for nuclear clocks.

4-1. The Future of Precision Timekeeping

Based on these findings, researchers expect that using thin films in nuclear clocks will improve the accuracy of timekeeping.

A general advantage of using solid-state clocks is that the number of atoms is much higher than in a trapped-ion setup. This is dozens of times more than is feasible in an ion trap, which helps the stability of the clock.

These thin films could potentially extend nuclear timekeeping beyond the laboratory setting, making it compact and portable.

[4-1]Imagine something you can wear on your wrist. Imagine that in the distant future, everything will be miniaturized to that degree. This level of portability is still a distant goal, but it could revolutionize fields that rely on accurate timekeeping, from communications to navigation. If we’re lucky, it could even shed light on new physics.

_[4-1] Using an ultra-precision neutron wristwatch, you can find out which neutrino just flew in from which part of the universe and which cell of the human body has just passed through and changed the xxxyyyu position of 3 billion bases of DNA. Oh my.

This neutron is in diamond mode, with susqer.bar in the middle and zz'.bar moving the poles up and down regularly. It could be the other way around.

5.
[5] Imagine something you can wear on your wrist. Imagine that in the very distant future, everything can be miniaturized to that level. This level of portability is still a distant goal, but it could revolutionize fields that depend on precise timekeeping, from communications to navigation. If we're lucky, it could even reveal information about new physics.

_[5] Using an ultra-precision neutron wristwatch, you can find out which neutrino just flew in from some part of the universe and which cell of the human body has just passed through and changed the xxxyyyu position of 3 billion bases of DNA. Oh my. It's fun to see that a nuclear decay signal actually exists on my wrist due to a supernova event in a distant universe. Oh my.

This neutron is in a 2D thin-film diamond mode, with susqer.bar in the middle, and zz'.bar moves the poles up and down regularly. It can also be the opposite. The susqer of qpeoms is in the zz'mode in the middle of the diamond mode, so it is in the middle of the maximum length of msbase, and when susqer.spin.bar.xz moves in two directions, up, down, left, and right, the two upper and lower poles located in yz' move in one direction. This is so regular that it can be likened to one body moving forward and backward when two feet are shaken. Oh my.

sample qoms (standard)
0000000011=2,0
0000001100
0000001100
0000010010
0001100000
0101000000
0010010000
0100100000
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0010000001

sample pms (standard)
q0000000000
00q00000000
0000q000000
000000q0000
00000000q00
0000000000q
0q000000000
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0000000q000
000000000q0

sample msoss

zxdxybzyz
zxdzxezxz
xxbyyxzz
zybzzfxzy
cadccbcdc
cdbdcbdbb
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