Учёные создали первый в мире прототип ядерных часов

Всего несколько месяцев назад был совершён огромный прорыв, который готовился десятилетиями, и уже сейчас учёные осознают его потенциал: измерение зазора между квантовыми энергетическими состояниями ядра тория было использовано для создания самых первых, рудиментарных ядерных часов.

Соединив стронциевые атомные часы с кристаллом, содержащим ядра тория, группа физиков успешно продемонстрировала основную технологию, которая приведёт нас к первым полностью реализованным и разработанным ядерным часам.

Эта веха — которую ещё предстоит пройти — откроет совершенно новую сферу сверхточного хронометража.

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

Атомные часы — это часы, которые полагаются на очень точное «тиканье» атомов, когда они переключаются между энергетическими состояниями под воздействием лазера, что определяется состоянием электронов, которые вращаются вокруг ядра в атомном ядре.

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

При этом ожидается, что ядерные часы будут гораздо стабильнее и точнее атомных. В свою очередь, ядерные часы позволили бы проводить более точные измерения физической Вселенной, что имеет значение для всего — от навигации до поиска тёмной материи.

В начале этого года было объявлено об измерении энергетического скачка — разницы между энергетическими состояниями — ядра тория. Это позволило Штрумму и его коллегам определить точную энергию, необходимую для создания изменения энергетических состояний — механизма, на котором будут тикать ядерные часы.

Следующим шагом было продемонстрировать, что они могут создать часы на основе этого тиканья, что и сделали Штрумм и его коллеги.

Продемонстрированные ими часы не являются полноценными ядерными часами, но это первые шаги в этом направлении. Стронциевые часы в JILA при Национальном институте стандартов и технологий работают с помощью инфракрасного света.

Команда создала небольшой кристалл фторида кальция, содержащий ядра тория, энергетические состояния которых переключаются с помощью вакуумного ультрафиолетового излучения.

Чтобы соединить кристалл с атомными часами, исследователям нужно было найти способ преобразовать инфракрасный свет в ультрафиолетовый. Для этого они создали частотную гребёнку инфракрасных волн и пропустили её через газ ксенон, который, взаимодействуя с инфракрасным светом, излучает ультрафиолетовые волны.

В результате получилась комбинированная частотная гребёнка, которая могла возбуждать переход ядер тория и синхронизировать его с тиканьем атомов стронция.

Получившееся ядерное тиканье не более точно, чем атомные часы со стронцием, но теперь, когда основная концепция продемонстрирована, реальная технология находится в поле зрения — и очень близка к полной реализации, говорят исследователи.

«Представьте себе наручные часы, которые не потеряют ни секунды, даже если вы оставите их работать на миллиарды лет. Хотя мы ещё не дошли до этого, данное исследование приближает нас к такому уровню точности», — говорит физик Цзюнь Йе из JILA.