Ядерные часы: создан первый в мире работающий прототип

Большое достижение, к которому ученые шли несколько десятилетий, было совершено всего несколько месяцев назад, и физики уже осознали его потенциал: измерение разницы между квантовыми энергетическими состояниями ядра тория было использовано для создания самых первых ядерных часов. Они пока не обеспечивают большую точность, чем обычные атомные часы, но это и не было целью этого первого шага.

Соединив стронциевые атомные часы с кристаллом, содержащим ядра тория, группа физиков успешно продемонстрировала базовую технологию, которая приведет нас к первым полностью реализованным ядерным часам. Эта веха, которую еще предстоит преодолеть, откроет совершенно новую сферу сверхточного измерения времени.

«С помощью этого первого прототипа мы доказали: торий можно использовать в качестве хронометра для сверхточных измерений», — объясняет физик Торстен Штрумм из Венского технического университета. «Осталось только провести техническую разработку, и никаких серьезных препятствий больше не ожидается».

Атомные часы — это часы, работа которых основана на очень точном «тиканье» атомов, которые переключаются между энергетическими состояниями при стимуляции лазером, что определяется состояниями электронов, вращающихся вокруг атомного ядра.

Однако добиться этого с самим ядром гораздо сложнее, поскольку для изменения его энергетического состояния требуется гораздо больше энергии, чем для изменения энергетического состояния электронов.

Ядерные часы, однако, весьма желательны, поскольку они были бы намного более стабильными и точными, чем атомные часы. В свою очередь, ядерные часы позволили бы проводить более точные измерения физической Вселенной – что имеет значение для всего, от навигации до поиска темной материи.

Измерение скачка энергии – разницы между энергетическими состояниями – ядра тория было объявлено ранее в этом году. И это позволило ученым определить точную энергию, необходимую для создания изменения энергетических состояний, механизма, по которому будут «тикать» ядерные часы.

Следующим шагом было продемонстрировать, что исследователи могут создать часы на основе этого тиканья, и именно это они и сделали.

Часы, которые продемонстрировали ученые, не являются полноценными ядерными часами, но это первые реальные шаги в этом направлении. Стронциевые часы в JILA в Национальном институте стандартов и технологий работают с использованием инфракрасного света.

Группа ученых создала небольшой кристалл фторида кальция, содержащий ядра тория, энергетические состояния которого переключаются с помощью вакуумного ультрафиолетового света.

Чтобы соединить кристалл с атомными часами, исследователям нужно было найти способ преобразовать инфракрасный свет в ультрафиолетовый. Они сделали это, создав частотную гребенку инфракрасных длин волн и пропустив ее через ксеноновый газ, который взаимодействует с инфракрасным светом, испуская ультрафиолетовые длины волн.

Результатом стала комбинированная частотная гребенка, способная возбуждать переход ядер тория и синхронизировать его с тиканьем атомов стронция. Полученное в результате ядерное тиканье не точнее, чем стронциевые атомные часы, но теперь, когда основная концепция была продемонстрирована, реальная технология уже на подходе и очень близка к полной реализации, говорят исследователи.

«Представьте себе наручные часы, которые не отстают ни на секунду, даже если оставить их работать на миллиарды лет. Хотя мы пока не достигли этого, это исследование приближает нас к такому уровню точности», — говорит физик Цзюнь Йе из JILA.

Научная команда проводила свой эксперимент много раз; каждый раз они получали результаты, соответствующие атомным часам. Следующим шагом будет его усовершенствование.

«Когда мы впервые возбудили переход, мы смогли определить частоту с точностью до нескольких гигагерц. Это уже было более чем в тысячу раз лучше, чем что-либо известное ранее. Теперь, однако, у нас есть точность в диапазоне килогерц — что в миллион раз лучше», — говорит Торстен Штрумм. «Таким образом, мы рассчитываем обогнать лучшие атомные часы за 2–3 года».

Исследование опубликовано в журнале Nature.