時鐘是我們日常生活、科學和技術中不可或缺的工具。它們依賴于具有穩定頻率的參考振蕩器。我們目前最精確的時間測量設備原子鐘，使用原子中電子態之間的共振躍遷作為參考振蕩器。這些躍遷是由與原子頻率完全匹配的光子驅動的。

近年來，一種新的核時鐘的概念引起了廣泛的關注。核時鐘不是通過原子電子躍遷來測量時間的流逝，而是使用核態之間的高精度振蕩。核振蕩器天然地比原子振蕩器更穩定，更能抵抗外界干擾。目前，最有前途的核時鐘候選者是釷-229中兩個態之間的振蕩，它們具有非常低的躍遷能量，在紫外范圍內。

隨著過去十年左右先進的X射線自由電子激光（XFEL）的出現，其他核時鐘振蕩器也可以通過直接光子激發來實現。最有希望的一個是鈧-45中極窄帶寬、12.4千電子伏的躍遷，它具有0.47秒的長壽命。然而，鈧-45的X射線共振激發還沒有實現。

要實現X射線共振激發，需要克服兩個主要的挑戰：一是X射線源和核能級之間的頻率匹配，二是探測器噪聲的抑制。

頻率匹配與噪聲抑制

鈧-45中12.4 keV核時鐘躍遷比現代X射線源的頻率分布窄至少十五個數量級。這意味著只有極少數入射X射線可以共振地激發核；占主導地位的非共振X射線只會產生巨大的探測器噪聲。因此，高X射線譜通量和低噪聲對于成功檢測激發至關重要。

研究人員在德國漢堡附近的歐洲XFEL設施進行了實驗，該設施目前可以產生世界上最高譜通量的共振X射線光子。他們通過在不同位置進行激發和探測來保持噪聲低。進一步的噪聲判別基于光子到達時間、能量和偏振。

他們使用X射線將鈧-45核從基態激發到12.4 keV壽命很長的激發態。由于共振能量之前非常不確定，所以入射X射線的能量必須在很大范圍內掃描才能找到它。

由于X射線源和核能級之間頻率匹配困難，共振激發事件非常稀少。因此，需要高靈敏度和高效率地探測核衰變產物，以證實核激發的發生。研究人員使用了兩種探測器：一種是用于探測X射線的硅漂移探測器（SDD），另一種是用于探測β粒子的塑料閃爍體探測器（PSD）。

他們利用了鈧-45核衰變的特征，即在激發后數十毫秒內發射約4 keV能量的特征X射線和β粒子。這些衰變產物與入射X射線有很大的時間和能量差異，因此可以用來區分信號和噪聲。此外，他們還利用了X射線和β粒子在空間上的關聯性，以及X射線在不同方向上的偏振性，來進一步提高信噪比。

實驗結果和意義

在對鈧-45靶注入10^20個近共振光子后，他們只檢測到93個核衰變事件。由于探測器噪聲極低，這個數字足以檢測到共振，并允許將躍遷能量測量得比之前最好的值小兩個數量級。

他們首次實現了鈧-45核時鐘躍遷的X射線共振激發，并將其能量確定到了10^-19相對不確定度的水平。這為未來開發基于鈧-45的核時鐘提供了重要的基礎。鈧-45核時鐘有望超越原子鐘在穩定性和抗干擾性方面的性能，從而為各種技術應用帶來革命性的影響。