Любые часы опираются на те или иные устойчивые колебания — от раскачивания маятника до частоты света. В оптических атомных часах, которые сейчас задают официальную длину секунды, роль маятника играет частота лазерного света, точно соответствующая переходу электронов между уровнями в атоме. Ядерные часы устроены иначе: лазер подталкивает к переходу не электроны, а протоны и нейтроны внутри ядра изотопа тория‑229.
Обычно ядерные уровни разнесены по энергии очень далеко, и для их возбуждения нужны гамма‑кванты. Торий‑229 — уникальное исключение: у него существует пара очень близких по энергии ядерных состояний, так близких, что переход можно вызвать ультрафиолетовым лазером. Физики подозревали это десятилетиями, но только в 2024 году удалось сначала запустить такой переход в кристалле фторида кальция с триллионами ядер тория, а затем точно измерить его частоту. Это открыло дорогу к созданию настоящих ядерных часов.
Оставалась ключевая задача — «привязать» частоту лазера к ядерному переходу, чтобы тот задавал стабильный «тик-так». Обе команды — и из Европы, и из Китая — решили ее схожим образом: они следили, как сильно кристалл с торием поглощает лазерный свет. Когда частота лазера точно попадает в резонанс, сигнал «проваливается» — фотоны активно поглощаются. Если частота чуть уходит, поглощение ослабевает, и система тут же подстраивает лазер обратно. Так удается непрерывно удерживать «маятник» на нужной частоте.
Европейская группа под руководством Торстена Шумма (Технический университет Вены) использовала кристалл с более высокой концентрацией тория и сравнительно слабый лазер; китайская команда под руководством Шицяня Дина (Университет Цинхуа, Пекин) — наоборот, взяла мощный лазер и более бедный торием кристалл. В итоге оба варианта дали сопоставимый по качеству сигнал.
Первые ядерные часы уже демонстрируют впечатляющую стабильность: за сутки их ход дрейфует эквивалентно примерно одной секунде на три миллиона лет. Пока это хуже лучших оптических атомных часов (около одной секунды на 40 миллиардов лет), но важно, что ядерный принцип реально заработал на практике, а не остался красивой идеей на бумаге.
У ядерных часов на кристаллах есть сразу несколько потенциальных преимуществ. Ядра гораздо меньше реагируют на внешние поля и колебания, чем электронные оболочки, а кристаллы можно использовать без экстремального охлаждения. Это делает их перспективными кандидатами на компактные и более устойчивые эталоны времени для навигации и связи.
Параллельно другие группы ученых работают над «следующим уровнем» — часами, в которых торий‑229 будет изолирован, а не встроен в кристалл. Поскольку нужный переход в ядре соответствует еще более высокой частоте, чем электронные оптические переходы, теоретически такие устройства смогут отсчитывать время еще более тонко, чем лучшие современные атомные стандарты. Но это требует новой, более сложной технологии.
Уже сейчас ядерные часы открывают путь к физике будущего. Ряд моделей темной материи предсказывает, что ее частицы могут едва заметно менять силу фундаментальных взаимодействий внутри ядра, а значит и частоту ядерных переходов. Рабочие ядерные часы по сути становятся непрерывным датчиком для таких эффектов. «Мы наблюдаем рождение новой области науки», говорят ученые: теоретики со всего мира уже предлагают использовать разные типы часов как взаимодополняющие инструменты для проверки самых экзотических идей — от вариаций фундаментальных констант до скрытых полей в пространстве-времени.
Ранее ученый создал «мини-вселенную» для измерения времени без часов.
Источник: hi-tech.mail.ru