Ученые сделали большой шаг к созданию сверхточных ядерных часов

Учёные JILA сделали серьёзный шаг к созданию часов, способных измерять время с точностью, сопоставимой с возрастом Вселенной. Центральным элементом этой разработки стали кристаллы, легированные торием-229, которые позволили исследователям изучить поведение ядерного перехода в твёрдой среде.


Традиционные атомные часы основаны на электронных переходах атомов, которые легко нарушаются воздействием окружающей среды. Именно поэтому самые точные из них размещают в сложных и изолированных установках, таких как ионные ловушки или оптические решетки. В отличие от этого, ядерный переход в тории-229 проявляет высокую устойчивость к внешним воздействиям. По словам исследователей, это можно сравнить с заменой легко вибрирующей струны скрипки на прочную стальную балку, которую почти невозможно расстроить.

Главное преимущество тория-229 заключается в том, что его ядра могут быть встроены в кристаллическую решётку в больших количествах, что открывает путь к созданию компактных и надёжных часов без громоздких установок. В качестве матрицы исследователи использовали кристаллы фторида кальция (CaF₂), прозрачного на длине волны 148 нм, необходимой для обнаружения излучения ядерного перехода.

Группа исследователей тщательно изучала, как частота ядерного перехода зависит от концентрации тория, температуры и времени. Оказалось, что при оптимальной температуре 196 К (около −77 °C) чувствительность к температурным колебаниям минимальна. Это позволяет поддерживать стабильность перехода на протяжении месяцев, а сама система сохраняет воспроизводимость частоты на уровне 220 Гц, что эквивалентно потере одной секунды за 300 тысяч лет.

Профессор Джун Йе из Университета Колорадо отметил, что подобная точность делает эти часы потенциальным инструментом для изучения фундаментальных физических констант, проверяя, остаются ли они неизменными на протяжении миллиардов лет.

Исследователи также подчеркнули, что, в отличие от современных атомных часов с лазерами и вакуумными камерами, твердотельные ядерные часы могут быть компактными, долговечными и портативными. Это открывает новые возможности как для практического применения в измерениях, так и для фундаментальной физики.

Следующий шаг команды — изучение воспроизводимости перехода при различных условиях окружающей среды и исследование других кристаллов с торием, свободных от дефектов, что позволит ещё больше сократить ширину линии перехода и повысить точность. Кроме того, учёным предстоит увеличить мощность и когерентность лазера для наблюдения колебаний Раби и когерентного возбуждения ядерного перехода.

По словам аспиранта Тянь Ооя, первый прототип этих часов уже демонстрирует значительные успехи: «Мы переходим от экспериментов с прямым лазерным возбуждением перехода к оценке его пригодности в качестве реальных часов, изучаем влияние окружающей среды и добиваемся понимания физики, лежащей в основе их работы».

Разработка часов на основе тория-229 может стать революцией в измерении времени, открывая новые горизонты как для науки, так и для технологий, требующих невероятной точности.

Читайте также: