Коллектив физиков впервые представил действующий прототип ядерных часов — прибора для измерения времени, который опирается не на электронные переходы между энергетическими уровнями, как в традиционных атомных часах, а на процессы внутри атомного ядра. Идея создания таких часов была выдвинута несколько десятилетий назад, но практическая реализация стала возможной лишь сейчас.
Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены
Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»
Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей
72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию
Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро
Источник изображения: ChatGPT
Современные атомные часы признаны наиболее точными измерительными устройствами на планете. Они фиксируют частоту электронных переходов между энергетическими состояниями в атомах цезия или рубидия и могут отклоняться менее чем на секунду за сотни миллионов лет непрерывной работы. Ядерные часы, напротив, применяют другой подход: их «маятником» выступают колебания атомного ядра.
Основой нового устройства послужил изотоп торий-229. Его отличительная черта — наличие крайне низкоэнергетического ядерного перехода между основным и возбуждённым состояниями ядра. Энергия этого перехода составляет приблизительно 8,4 эВ, что делает возможным его возбуждение с помощью ультрафиолетового лазера. Большинство известных ядерных переходов сопровождаются выделением высокоэнергетических гамма-квантов, что исключает управление ими лазерами. Торий-229 стал редким исключением, что позволило учёным применить его как фундамент для нового прибора.
В разработанном прототипе часов лазер настраивается на строго определённую частоту, соответствующую переходу ядра тория-229. Поглощение и последующее переизлучение фотонов порождают устойчивые колебания, служащие «тиками» часов.
В ходе нового эксперимента ядра тория-229 были внедрены в кристалл фторида кальция. Этот материал пропускает ультрафиолетовое излучение нужной длины волны и прочно удерживает атомы в кристаллической решётке, уменьшая влияние тепловых колебаний. Сигнал часов формируется за счёт коллективных колебаний большого числа ядер одновременно, что повышает точность замеров.
Исследователи полагают, что в будущем ядерные часы могут превзойти атомные по стабильности. Поскольку атомное ядро в тысячи раз меньше электронной оболочки, оно гораздо менее восприимчиво к воздействию внешних электромагнитных полей и прочих факторов среды, способных вызывать погрешности в измерениях.
Концепция ядерных часов была впервые предложена в 1970-х годах, однако долгое время её воплощение тормозилось из-за нехватки точных данных о характеристиках перехода в тории-229. Лишь в последние годы серия экспериментов позволила определить его параметры с требуемой точностью. В 2024 году учёные из совместного института JILA, основанного с участием Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий США (NIST), смогли с достаточной точностью измерить частоту перехода для последующего лазерного возбуждения ядра.
Авторы работы отмечают, что нынешний прототип пока уступает лучшим оптическим атомным часам по точности. Тем не менее сам факт создания работающей архитектуры рассматривается как значительный прорыв. Дальнейшее улучшение лазерных систем и повышение качества кристаллов, как ожидается, существенно улучшат характеристики устройства.
Помимо сверхточного измерения времени, ядерные часы могут стать новым инструментом для фундаментальной физики. В отличие от атомных часов, чувствительных в основном к электромагнитным взаимодействиям, ядро напрямую связано со слабыми и сильными ядерными силами. Благодаря этому такие приборы способны фиксировать чрезвычайно малые изменения фундаментальных физических констант.
Исследователи считают, что сопоставление показаний ядерных и оптических атомных часов может помочь в обнаружении сверхлёгкой тёмной материи. Согласно ряду теоретических моделей, она может вызывать едва заметные периодические изменения фундаментальных констант по мере движения Земли через соответствующие поля. Кроме того, новые часы могут применяться для проверки гипотез о возможном изменении физических констант на космологических временных масштабах, что напрямую связано с изучением тёмной энергии и эволюции Вселенной.
Источник: