Физики создали первые рабочие ядерные часы на тории-229
Физики из Европы и Китая независимо друг от друга создали работающие ядерные часы на основе тория-229. В отличие от обычных атомных часов, новые устройства отсчитывают время по изменениям энергии не электронов, а атомных ядер. О результатах обе группы сообщили в препринтах, опубликованных на arXiv.
Атомные часы, появившиеся в 1950-х годах, используют переходы электронов между энергетическими состояниями под действием лазера. Их точность настолько высока, что они способны работать миллиарды лет без потери одной секунды. Однако электроны находятся на внешней части атома и сильнее подвержены влиянию окружающей среды. Ядро атома расположено в его центре и лучше защищено от внешних воздействий, поэтому ядерные часы в перспективе могут оказаться стабильнее существующих атомных устройств. Кроме того, такая технология может использоваться для исследования темной материи и возможных изменений фундаментальных констант природы.
Для экспериментов ученые выбрали торий-229, обладающий необычно низкоэнергетическим переходом, доступным для точной лазерной спектроскопии. В 2024 году исследователи из Австрии и Германии смогли вызвать этот переход и добиться «тиканья» ядра. Следующей задачей стало создание полноценного прибора, способного непрерывно отсчитывать время. Обе команды разместили ядра тория-229 в кристаллах фторида кальция и воздействовали на них вакуумным ультрафиолетовым лазером. Европейские специалисты собрали автономные часы, которые стабилизировали частоту лазера, и сравнили их работу с атомными часами на ионах иттербия. Также устройство применили для поиска следов гипотетической сверхлегкой темной материи. Китайская группа проверила часы на двух независимо изготовленных кристаллах: полученные частоты почти совпали, что указывает на возможность создания воспроизводимых ядерных стандартов времени.
Отдельно физики Венского технического университета под руководством Торстена Шумма нашли идеальное место в кристаллической решетке, где атом тория-229 делает ядерные часы в десять раз точнее существующих атомных часов. Результаты этой работы команда опубликовала в журнале Science. На поиск подходящего кристалла у ученых ушло 15 лет: они выращивали кристаллы фторида кальция, легированные торием, методом проб и ошибок, меняя пропорции и условия роста. Оказалось, что атомы тория способны занимать в решетке четыре разных места. В трех из них кристалл возвращал свет сразу на нескольких длинах волны, а значит, электрическое поле вокруг атома было неравномерным, и такие позиции не годились для часов. Четвертая точка отвечала только на одну длину волны — ровное поле сделало именно ее идеальной. Чтобы это проверить, физики направляли на кристалл ультрафиолетовый лазер на 60 секунд, затем выключали его и еще пять минут наблюдали, как возбужденные ядра постепенно возвращались в исходное состояние и излучали свет обратно. Собранная установка уже стала первым работающим прототипом ядерных часов на этом принципе. По словам исследователей, к концу года им удастся повысить точность как минимум на три порядка. Новые устройства пока не превосходят лучшие атомные часы по точности, однако подтвердили практическую работоспособность технологии.
