Международный коллектив ученых разработал первый в мире прототип ядерных часов. Прототип с помощью ультрафиолетового лазера вызывает скачки энергии в ядре тория-229, которые можно использовать для отсчета времени. По словам ученых, в прототипе работают все ключевые элементы ядерных часов. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Атомные часы измеряют время, улавливая фотоны, вызванные переходами электронов с одного энергетического уровня на другой. Это самые точные часы на сегодняшний день. Именно по ним рассчитывается официальное международное время. Кроме того, атомные часы обеспечивают стабильную работу систем GPS, интернета и цифровой связи. Более того, в системе СИ секунда — это 9 192 631 770 периодов излучения, вызванного переходами между двумя сверхтонкими состояниями основного атома цезия-133.
Атомные часы работают с помощью лазера. Физики направляют лазерный свет конкретной частоты на атомы цезия или стронция, электроны которых из-за этого переключаются между двумя энергетическими уровнями. Переключения можно измерить, и именно их используют для подсчета времени в атомных часах.
Однако атомные часы теоретически — не самые точные в мире. Ранее ученые гипотетически предлагали возможность существования еще более точных ядерных часов. Их общий принцип должен быть похож на работу атомных часов, то есть физикам надо использовать лазер очень конкретной частоты, чтобы вызвать переключения между квантовыми состояниями. Отличие в том, что если атомные часы опираются на «колебания» электронов, то ядерные будут использовать «колебания» ядер.
У ядерных часов есть несколько потенциальных преимуществ перед атомными. Во-первых, ядро менее подвержено влиянию внешних помех, чем электроны. Во-вторых, лазер для ядерных часов имеет большую частоту, чем лазер для атомных. Это позволяет делать больше единичных колебаний в секунду, благодаря чему отсчет времени становится еще точнее.
Ядерные часы могли бы значительно улучшить современные технологии. Также они, как предполагают ученые, помогли бы проверить ряд фундаментальных теорий о Вселенной. Например, с их помощью можно было бы обнаружить темную материю или проверить, действительно ли константы природы постоянны, что позволит проверять теории в физике элементарных частиц без необходимости использования крупномасштабных ускорителей частиц.
Однако ядерные часы создать очень сложно. Проблема в том, что вызвать нужные скачки энергии (переключения между двумя квантовыми состояниями) в ядре большинства атомов могут только когерентные рентгеновские лучи с мощностью, значительно превышающей возможности современных технологий. Исключение — торий-229. Его ядро требует для перехода меньше энергии, чем ядро любого другого известного атома. Кроме того, для работы с с торием-229 можно использовать ультрафиолетовый диапазон излучения.
Поэтому ученые еще в 2003 году предложили использовать торий-229 для создания ядерных часов. Однако только в 2016 году физики смогли вживую наблюдать скачок энергии в ядре. Уже в 2024 году две исследовательские группы смогли с помощью ультрафиолетовых лазеров вызвать энергетический переход и рассчитать необходимую длину волны света.
Теперь ученые сообщили, что создали все основные элементы ядерных часов. Они разработали лазер, вызывающий переключения ядер между состояниями, и рассчитали частотную гребенку для их измерений. В результате они обеспечили переключения тория-229 для «тиканья» ядерных часов и наладили способ их отслеживания. Физики достигли уровня точности, который в миллион раз превышает предыдущий уровень измерения на основе длины волны излучения атомных часов. Также они сравнили свою ультрафиолетовую частоту для ядерных часов с инфракрасной частотой, используемой в одних из самых точных в мире атомных часах. Это позволило ученым установить первую прямую частотную связь между переключениями в ядре тория-229 и атомными часами, чтобы связать атомные часы и прототип ядерных. Установление прямой частотной связи и повышение точности — важнейшие шаги в разработке ядерных часов и их интеграции с существующими системами отсчета времени.
Важно, что ученые еще не изготовили полностью функционирующие ядерные часы. Однако сделан значительный шаг на пути к их разработке. Кроме того, исследование предоставило прежде неизвестные детали о ядре тория.
«Представьте себе наручные часы, которые не потеряют ни секунды, даже если оставить их работать миллиарды лет. Хотя мы еще не совсем достигли этого, исследование приближает нас к такому уровню точности», — рассказал Цзюнь Е из Национального института стандартов и технологий и Объединенного института лабораторной астрофизики.
«С этим первым прототипом мы доказали: торий может использоваться в качестве хронометра для сверхточных измерений. Осталось только провести техническую разработку, и никаких других серьезных препятствий ожидать не приходится», — подытожил Торстен Шумм из Венского технического университета.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
