Ученые сделали важный шаг к разработке ядерных часов — устройства, которое измеряет время, фиксируя энергетические изменения в ядре атома, «тики».
Ядерные часы обещают быть точнее и стабильнее атомных. Атомные часы работают на основе лазеров, чья частота излучения точно соответствует энергии, необходимой для перехода электронов между уровнями внутри атома. Эти часы теряют или добавляют всего одну секунду за 40 миллиардов лет.
Ядерные же часы фиксируют переходы внутри ядра — среди протонов и нейтронов, что может сделать их еще точнее. Частицы в ядре менее чувствительны к внешним воздействиям, например к электромагнитным полям.
Для создания ядерных часов из большинства веществ требуется рентгеновское излучение с чрезвычайно высокой энергией. Поэтому ученые сосредоточились на тории-229: его ядерный переход требует ультрафиолетового света co значительно более низкой энергией.
Исследовательская группа использовала встроенные в кристалл CaF2 атомы тория-229. Ученые применили частотный гребень — оптическое устройство, которое с высокой точностью подсчитывает количество циклов излучения, вызывающих «тик». В работе, опубликованной в журнале Nature, ученые впервые зафиксировали переход атомов тория-229 в возбужденное состояние и смогли рассчитать частоту, вызвавшую этот сигнал.
Точность измерения превысила предыдущие результаты в 100 тысяч раз. Кроме того, исследователи впервые напрямую сравнили подобранную ультрафиолетовую частоту с оптической частотой одних из самых точных атомных часов в мире, основанных на стронции. Это стало первым прямым связующим звеном между ядерным переходом и атомными часами.
Ядерные часы могут стать намного точнее существующих атомных, которые уже играют ключевую роль в работе навигационных систем, интернета, обеспечении надежности сетевых соединений и безопасности цифровых коммуникаций. Если частота «тика» изменится со временем, это может указывать на изменения в фундаментальных силах, удерживающих ядро. Такая чувствительность поможет ученым обнаружить влияние темной материи на вещество.
До того как ядерные часы превзойдут атомные по точности, предстоит провести еще много исследований. Ученые будут верифицировать точность и оптимизировать лазерные системы. Хотя описанное техническое решение еще нельзя назвать полноценными ядерными часами, оно уже содержит все основные технологии для их создания.