Две независимые научные группы представили результаты, которые знаменуют прорыв в современной физике — создание работающих прототипов ядерных часов. Разработки принадлежат командам под руководством Бэйчэня Хуана (Beichen Huang) из Университета Цинхуа в Китае и Лука Тоскани де Коля (Luca Toscani De Col) из Венского центра квантовой науки и технологий в Австрии.
Как работают ядерные часы
Традиционные атомные часы опираются на измерение частоты переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Новые ядерные часы используют другой механизм: переходы внутри самого атомного ядра, происходящие между энергетическими состояниями протонов и нейтронов. Такая конструкция теоретически обеспечивает гораздо более высокую устойчивость к внешним помехам, поскольку ядро защищено от влияния магнитных и электрических полей гораздо эффективнее, чем внешние электронные оболочки.
Роль изотопа тория-229
Главным компонентом системы стал изотоп тория-229. Его ценность заключается в уникальной особенности: энергетический переход в ядре этого изотопа обладает аномально низким значением. Это позволяет возбуждать его с помощью лазерного излучения. Для большинства других ядерных процессов требуются колоссальные энергетические затраты, недоступные для стандартных лазеров.
Основным препятствием долгое время оставалась необходимость генерации излучения с длиной волны около 148 нанометров. В этом диапазоне вакуумного ультрафиолета создание стабильных и управляемых лазеров сопряжено с серьезными техническими сложностями.
Технологические подходы и достижения
Обе группы исследователей успешно справились с этой проблемой, используя кристаллы фторида кальция (CaF2), в структуру которых были интегрированы ядра тория-229. Устройства облучались узким непрерывным лазером в ультрафиолетовом диапазоне.
- Китайская группа сосредоточилась на использовании мощного лазерного источника.
- Европейские физики применили кристалл с повышенной плотностью ядер тория.
Результаты верификации систем показали впечатляющие успехи. Команде Бэйчэня Хуана удалось добиться стабилизации частоты лазера, «привязанной» к ядерному переходу. Точность составила порядка одной части на 10 триллионов за сутки — показатель, уже сопоставимый с характеристиками лучших современных атомных часов.
Поиск «новой физики»
Группа Лука Тоскани де Коля пошла дальше, применив свою систему для поиска ультралёгкой тёмной материи. Физики искали возможные периодические колебания в энергии ядерного перехода тория-229, которые могли бы свидетельствовать о взаимодействии с частицами тёмной материи. Несмотря на то что сигнал обнаружить не удалось, чувствительность установки оказалась на уровне или даже выше возможностей существующих атомных стандартов.
Будущее ядерных технологий
Успешные эксперименты подтверждают переход технологии ядерных часов из плоскости теоретических расчетов в практическую область. Помимо создания эталонов времени, такие приборы откроют новые возможности для проверки фундаментальных физических констант и поиска явлений, выходящих за рамки Стандартной модели.
В ближайшем будущем разработчики планируют миниатюризацию систем. Компактные ядерные часы могут стать основой для навигационных систем нового поколения, высокочувствительных гравиметров и других научных инструментов, недоступных для нынешних атомных стандартов.
