Над решением задачи по получению стабильного сигнала из атомного ядра исследователи работали более двадцати лет. Причиной успеха стало использование уникального изотопа тория-229. В отличие от большинства других элементов, требующих колоссальной энергии для изменения состояния ядра, торий реагирует на ультрафиолетовый лазер.
В Европе и в Китае начинают «тикать» ядерные часы
Две независимые группы ученых из Европы и Китая совершили прорыв, создав первые работающие прототипы ядерных часов. Эти инновационные устройства измеряют время по колебаниям энергетических состояний ядер атомов, а не их электронов, как современные атомные часы. Разработка открывает новую эру в метрологии, обещая сделать приборы более надежными, компактными и невосприимчивыми к внешним воздействиям.
В новых часах для измерения переходов внутри ядер атомов тория-229 используется высокоточный лазер. Getty
Удивительный торий-229. Уникальность изотопа торий-229 заключается в аномально низком уровне возбуждения его ядра, который называют изомерным состоянием. Для перевода большинства атомных ядер на более высокий энергетический уровень требуются жесткие рентгеновские или гамма-лучи колоссальной мощности. Ядро тория-229 является единственным известным исключением во всей Вселенной: разница между его основным и возбужденным состоянием настолько мала, что для запуска перехода достаточно энергии обычного ультрафиолета. Именно эта редчайшая природная особенность позволила ученым использовать оптические лазеры для прямого управления процессами внутри атомного ядра.
Физикам удалось объединить триллионы атомов тория внутри кристалла фторида кальция и синхронизировать частоту лазерного луча с естественным переходом в ядрах. Это позволило зафиксировать стабильный ритм «тиканья».
Европейская группа под руководством Торстена Шумма из Венского технического университета (работа размещена на сервере arXiv) и китайская команда во главе с Шицянем Дином из Университета Цинхуа (работа размещена на сервере arXiv) использовали разные лазеры и концентрации вещества, но получили сопоставимые надежные результаты. Торстен Шумм заметил: «До недавнего времени эта область была "спокойной нишей" для работы. Теперь у нас жесткая, но дружественная глобальная конкуренция».
Схематическое изображение установки. (а) Ядерные часы на основе тория-229, расположенные в Венском техническом университете.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Пока точность прототипов уступает лучшим атомным часам, хотя погрешность ядерных часов составляет одну секунду за три миллиона лет и потенциал технологии огромен.
Схематическое изображение установки китайских ученых.
Новые горизонты физики и технологий
Главное преимущество новой технологии заключается в устойчивости ядер к внешним электромагнитным шумам и изменениям температуры. Это позволяет создавать высокоточные коммерческие устройства без громоздких систем охлаждения, и такие устройства найдут применение в навигации и космической связи. Для достижения максимальной точности ученые планируют изолировать отдельные атомы тория вместо их размещения в кристалле.
Помимо прикладных задач, работающие ядерные часы уже сейчас становятся уникальным инструментом для фундаментальной науки. Ученые надеются использовать их как непрерывно действующие сенсоры для поиска темной материи и проверки постоянства фундаментальных физических констант. Физики-теоретики предполагают, что определенные космические явления могут влиять на силы внутри ядра, а новые часы позволят моментально зафиксировать эти микроскопические сдвиги.