Группа исследователей в области физики впервые успешно продемонстрировала функционирующие ядерные часы — устройство для отсчёта времени, которое базируется не на электронных переходах между энергетическими уровнями, как это делают современные атомные часы, а на процессах, происходящих внутри атомного ядра. Концепция подобных часов была разработана несколько десятилетий назад, однако её практическая реализация стала возможной лишь сейчас.
Источник изображения: ChatGPT
Современные атомные часы признаны наиболее точными измерительными приборами на планете. Они фиксируют частоту электронных переходов между энергетическими состояниями в атомах цезия или рубидия и могут ошибаться менее чем на одну секунду за сотни миллионов лет непрерывной работы. В отличие от них, ядерные часы функционируют по другому принципу: их «маятником» выступают колебания атомного ядра.
Основным компонентом нового прибора стал изотоп торий-229. Его уникальная характеристика — наличие крайне низкоэнергетического ядерного перехода между основным и возбуждённым состояниями ядра. Энергия этого перехода составляет приблизительно 8,4 эВ, что даёт возможность возбуждать его при помощи ультрафиолетового лазера. Большинство известных ядерных переходов сопровождаются излучением высокоэнергетических гамма-квантов, поэтому управлять ими с помощью лазеров невозможно. Торий-229 представляет собой редкое исключение, что позволило учёным применить его в качестве основы для нового устройства.
В созданном прототипе часов лазер настраивается на строго заданную частоту, соответствующую переходу ядра тория-229. Процессы поглощения и последующего переизлучения фотонов формируют стабильные колебания, которые играют роль «тиков» часов.
В ходе нового эксперимента ядра тория-229 были внедрены в кристалл фторида кальция. Этот материал прозрачен для ультрафиолетового излучения с нужной длиной волны и прочно удерживает атомы в кристаллической решётке, уменьшая воздействие тепловых колебаний. Сигнал часов образуется за счёт коллективных колебаний большого числа ядер одновременно, что повышает точность измерений.
Специалисты полагают, что в будущем ядерные часы смогут превзойти атомные по стабильности. Поскольку размеры атомного ядра в тысячи раз меньше размеров электронной оболочки, оно значительно менее подвержено влиянию внешних электромагнитных полей и других факторов окружающей среды, способных вызывать погрешности в измерениях.
Идея создания ядерных часов впервые возникла в 1970-х годах, однако на протяжении долгого времени её воплощение тормозилось из-за отсутствия точных сведений о свойствах перехода в изотопе тория-229. Только в последние годы целый ряд экспериментов позволил установить его параметры с требуемой точностью. В 2024 году учёные из совместного института JILA, основанного при участии Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий США (NIST), сумели с достаточной точностью измерить частоту перехода для последующего возбуждения ядра лазером.
Авторы исследования отмечают, что текущий прототип пока уступает по точности лучшим оптическим атомным часам. Тем не менее, сам факт создания работающей архитектуры расценивается как крайне значительный шаг вперёд. Дальнейшее улучшение лазерных систем и повышение качества кристаллов, как ожидается, позволит существенно повысить характеристики устройства.
Помимо сверхточного измерения времени, ядерные часы могут стать новым инструментом для фундаментальной физики. В отличие от атомных часов, которые в основном чувствительны к электромагнитным взаимодействиям, ядро напрямую связано со слабыми и сильными ядерными силами. Благодаря этому такие приборы способны фиксировать крайне малые изменения фундаментальных физических констант.
Исследователи полагают, что сопоставление показаний ядерных и оптических атомных часов может помочь в поисках сверхлёгкой тёмной материи. Согласно некоторым теоретическим моделям, она может вызывать едва заметные периодические колебания фундаментальных констант при движении Земли через соответствующие поля. Кроме того, новые часы могут применяться для проверки гипотез о возможных изменениях физических констант на космологических временных масштабах, что напрямую связано с исследованиями тёмной энергии и эволюции Вселенной.
