Самые точные из существующих часов основаны не на кварцевом механизме, а на «тиканье» электронов в атомной оболочке. Лучшие из этих атомных часов настолько точны, что они не потеряли бы ни секунды за все миллиарды лет с момента возникновения Вселенной.
Однако существует потенциально новый вид часов, который может улучшить эту точность на порядок, до одной части из 1019. Они основаны на изменениях внутри ядер изотопа тория, но, хотя идея впервые появилась еще в 2003 году, воплотить ее в жизнь оказалось проблематично. Но недавно ученые нашли способ нового измерения «тиканья» ядра тория-229, что приближает нас к воплощению мечты об идеальных ядерных часах.
«Для состояния 229mTh было предложено множество приложений и исследований, от ядерного гамма-лазера, высокоточных и стабильных ионных ядерных часов до компактных твердотельных ядерных часов», — пишут исследователи в своей статье.
«Такие часы позволили бы достичь нового уровня точности в исследованиях фундаментальной физики: от изменения фундаментальных констант до поиска темной материи или превращения таких часов в детектор гравитационных волн. Их можно использовать в самых разных областях, таких как геодезия или спутниковая навигация».
Но как работают атомные часы? Что ж, для начала атомы определенного элемента, такого как стронций или иттербий, облучают лазерами. Это возбуждает электроны в атомных оболочках, заставляя их колебаться между двумя энергетическими состояниями. Эти колебания производятся переходами между уровнями энергии, которые возбуждаются электромагнитным излучением определенной длины.
Ядерные часы должны работать по тому же принципу, за исключением того, что вместо электронов колеблется само ядро. Но большинство атомных ядер обладают слишком высокой энергией перехода, от килоэлектронвольт до мегаэлектронвольт. Чтобы возбудиться достаточно для того, чтобы колебаться, этим ядрам требуется значительное количество энергии, что делает их крайне непрактичными в приборах, измеряющих время. У нас попросту нет лазерных технологий, способных работать с таким уровнем энергии.
Заметным исключением здесь является торий-229. Из тысяч разновидностей атомных ядер возбужденное состояние ядра тория-229, безусловно, является самым низким из известных в электронвольтном диапазоне. Оно настолько низкое, что его можно вызвать с помощью обычного ультрафиолетового излучения!
Так в чем же проблема? Чтобы определить точную длину волны ультрафиолетового света, необходимую для возбуждения ядра, нам необходимо измерить точную разницу энергии между основным состоянием и возбужденным. Было сделано несколько попыток этих измерений, и каждая из них немного сузила круг вопросов. Однако новая работа физика Томаса Сикорского из Гейдельбергского университета в Германии оказалась точнее всех предыдущих.
Команда измерила испускаемое гамма-излучение, когда изотоп урана-333 распался на различные изомеры или молекулярные конфигурации тория-229, включая желаемый метастабильный изомер торий-229m. Этот метод использовался и раньше, генерируя 7,6 электронвольта и 7,8 электронвольта в 2007 и 2009 годах соответственно.
Однако команда Сикорского использовала новый, более точный метод измерения гамма-излучения. В качестве гамма-спектрометра они разработали криогенный магнитный микрокалориметр. Гамма-излучение попадает на поглощающую пластину и преобразуется в тепло. Затем это преобразуется в изменение намагниченности датчиков, которое может быть переведено в энергию перехода.
С помощью этого нового метода измерения команда обнаружила, что энергия перехода составляет 8,1 электронвольт, что соответствует длине волны возбуждения 153,1 нанометра. Это очень близко к измерениям, выполненным в прошлом году с использованием другой техники, которые показали, что энергия составляет 8,28 электронвольт, что соответствует длине волны 149,7 нм.
Итак, мы, кажется, приближаемся к понимаю того, что лазеры в этом диапазоне длин волн не невозможны — нам просто нужно их построить.
Поскольку, как отметили исследователи, единственная неопределенность является статистической, выполнение большого количества измерений должно значительно снизить эту неопределенность. А это, в свою очередь, означает, что у человечества появился наконец шанс создать самые точные часы в мире.