Группа физиков впервые продемонстрировала работоспособные ядерные часы — устройство для измерения времени, основанное не на переходах электронов между энергетическими уровнями, как в современных атомных часах, а на переходах внутри атомного ядра. Идея таких часов была предложена ещё несколько десятилетий назад, однако реализовать её на практике удалось только сейчас.
Источник изображения: ChatGPT
Современные атомные часы считаются самыми точными измерительными приборами в мире. Они отслеживают частоту переходов электронов между энергетическими состояниями в атомах цезия или рубидия и способны ошибаться менее чем на одну секунду за сотни миллионов лет работы. Однако ядерные часы используют иной принцип: их «маятником» служат колебания атомного ядра.
Ключевым элементом нового устройства стал изотоп тория-229. Его уникальная особенность заключается в наличии чрезвычайно низкоэнергетического ядерного перехода между основным и возбуждённым состояниями ядра. Энергия этого перехода составляет около 8,4 эВ, что позволяет возбуждать его с помощью ультрафиолетового лазера. Большинство известных ядерных переходов сопровождаются испусканием высокоэнергетических гамма-квантов, поэтому управлять ими при помощи лазеров невозможно. Торий-229 оказался редким исключением, благодаря чему исследователи смогли использовать его в качестве основы для нового устройства.
В созданном прототипе часов лазер настраивается на строго определённую частоту, соответствующую переходу ядра тория-229. Поглощение и последующее переизлучение фотонов формируют стабильные колебания, которые выполняют роль «тиков» часов.
В новом эксперименте ядра тория-229 были встроены в кристалл фторида кальция. Этот материал прозрачен для ультрафиолетового излучения нужной длины волны и надёжно фиксирует атомы в кристаллической решётке, снижая влияние тепловых колебаний. Сигнал часов формируется коллективными колебаниями большого количества ядер одновременно, что улучшает точность измерений.
Учёные считают, что в перспективе ядерные часы смогут превзойти атомные по стабильности. Поскольку размеры атомного ядра в тысячи раз меньше размеров электронной оболочки, оно значительно слабее подвержено влиянию внешних электромагнитных полей и других факторов окружающей среды, способных вносить погрешности в измерения.
Концепция ядерных часов была предложена ещё в 1970-х годах, однако долгое время её реализацию сдерживало отсутствие точных данных о характеристиках перехода в тории-229. Лишь в последние годы серия экспериментов позволила определить его параметры с необходимой точностью. В 2024 году исследователи из совместного института JILA, созданного при участии Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий США (NIST), смогли достаточно точно измерить частоту перехода для последующего лазерного возбуждения ядра.
Авторы работы подчёркивают, что нынешний прототип пока уступает лучшим оптическим атомным часам по точности. Однако сам факт создания работоспособной архитектуры рассматривается как важнейший шаг вперёд. Дальнейшее совершенствование лазерных систем и повышение качества кристаллов должно значительно улучшить характеристики устройства.
Помимо сверхточного измерения времени, ядерные часы могут стать новым инструментом фундаментальной физики. В отличие от атомных часов, чувствительных главным образом к электромагнитным взаимодействиям, ядро напрямую связано со слабыми и сильными ядерными взаимодействиями. Благодаря этому такие приборы способны регистрировать чрезвычайно малые изменения фундаментальных физических констант.
Исследователи считают, что сравнение показаний ядерных и оптических атомных часов может помочь в поисках сверхлёгкой тёмной материи. Согласно ряду теоретических моделей, она способна вызывать едва заметные периодические изменения фундаментальных констант по мере движения Земли через соответствующие поля. Кроме того, новые часы могут использоваться для проверки гипотез о возможном изменении физических констант на космологических временных масштабах, что имеет непосредственное отношение к исследованиям тёмной энергии и эволюции Вселенной.
Источник: