Физики давно теоретически предсказывали возможность использования изотопа тория-229 для измерения времени, однако долго не могли точно определить параметры его уникального ядерного энергетического перехода. Прорыв случился в 2024 году, когда с помощью лазера удалось зафиксировать этот «тик» атомного ядра.
Сверхточный хронометр на основе атомных ядер пройдет испытания в этом году
Ученые вплотную приблизились к созданию ядерных часов — устройства, которое будет отсчитывать время по энергетическим возбуждениям в ядрах изотопа тория-229. Эта технология обещает стать самой точной на планете, превзойдя современные оптические атомные часы, которые ошибаются всего на одну секунду за 40 миллиардов лет. Благодаря компактности и устойчивости к внешним шумам, ядерные часы смогут работать за пределами лабораторий, открывая новые возможности для коммерческого и научного применения.
Сверхточный ядерный хронометр сможет работать за пределами лабораторий. https://www.quantumscience.at/
От атома к ядру. Разница между атомными часами и ядерными заключается в том, что именно «тикает» внутри. В атомных часах лазер воздействует на электроны, которые вращаются далеко от центра атома и чувствительны к магнитным полям. В ядерных часах воздействие идет на само ядро. Оно в десятки тысяч раз меньше атома и надежно защищено электронной оболочкой, словно броней, что делает такие часы невероятно устойчивыми к любым внешним помехам и вибрациям.
Сегодня около десятка исследовательских групп из Китая, Европы, Японии и США соревнуются в сборке полноценного прототипа. Основная сложность заключается в создании мощного и стабильного лазера ультрафиолетового диапазона с длиной волны около 148 нанометров, который необходим для возбуждения ядра.
Лазерное возбуждение ядра тория-229 (синие нейтроны и красные протоны) приводит к его переходу в возбужденное состояние. Когда возбужденное ядро возвращается в основное состояние, оно излучает фотоны с длиной волны 148,3821 нм. Этот ядерный переход можно использовать в качестве тактовой частоты, лежащей в основе чрезвычайно точного устройства для измерения времени.
Разные научные группы предлагают свои решения: от использования паров токсичного кадмия до применения специализированных кристаллов тетрабората стронция. Несмотря на технические вызовы, специалисты полны оптимизма. Эрик Хадсон из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе отмечает: «Это техническая проблема, которую раньше никому не нужно было решать, и теперь мы ее решим». По его прогнозам, первые измерения с помощью полноценных ядерных часов мир увидит уже в 2026 году.
Лазерная гонка и поиск стабильности
Параллельно с разработкой лазеров ученые ищут оптимальный способ размещения самого тория-229. Существует два основных подхода: использование кристаллов, содержащих триллионы ионов изотопа, или удержание единичных ионов в специальных ловушках при ультранизких температурах. Кристаллический метод дает более сильный сигнал, но пока страдает от недостаточной стабильности из-за примесей в материалах, таких как фторид кальция.
Ученые создают первые в мире ядерные часы. На снимке — вид вакуумной камеры, в которой находятся кристаллы, легированные изотопом тория-229, которые можно возбуждать с помощью лазера.
Исследователи экспериментируют с тонкими кристаллическими пленками и оксидом тория, чтобы сузить ширину линии перехода и повысить точность. В то же время ионные ловушки, где частицы охлаждаются до микрокельвинов, считаются более перспективными для достижения рекордной точности. «Если вы хотите быть по-настоящему точными, вы выберете эксперимент с захваченным ионом», — утверждает физик Цзюнь Е.
Хотя работа с одиночными ионами тория-229 технически сложнее, научное сообщество уверено, что успех в этом направлении — лишь вопрос времени. Создание таких часов не просто улучшит навигацию, но и позволит физикам проверять фундаментальные константы Вселенной с беспрецедентной строгостью.