Физики вырастили кристалл для самых точных в истории ядерных часов
Современные атомные часы, которые отсчитывают время по переходам электронов между энергетическими уровнями, настолько точны, что за миллиарды лет существования Вселенной не накопили бы и секунды ошибки. Однако эта невероятная точность требует сложной и хрупкой инфраструктуры — большая лаборатория с вакуумными камерами и системами экранирования защищает хронометр от электрических и магнитных полей.
Еще сильнее повысить точность хода можно, спустившись на уровень глубже — от электронов к атомному ядру — и отслеживать переход, при котором меняется состояние одного нейтрона. Заодно упростится обслуживающее оборудование — ведь в этом случае само ядро выступает естественной защитой от помех.
По словам профессора Торстена Шумма из Венского технического университета, точность ядерных часов превзойдет лучшие на сегодня атомные как минимум на порядок. В его лаборатории вырастили кристалл для будущих самых точных в истории ядерных часов. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Science.
В большинстве атомов энергия, необходимая для подобного переключения нейтрона, соответствует гамма-излучению, а гамма-лазеров ученые пока создавать не умеют. Известно лишь одно исключение — торий-229. В 2024 году было показано, что его можно возбудить ультрафиолетовым лазером.
«Торий-229 — это причуда природы. Энергия его ядерного перехода аномально мала, что позволяет использовать для работы высокочистые лазерные источники», — объясняет профессор Андрей Деревянко из Университета Невады в Рино.
Ученые искали такую кристаллическую структуру, которая не только вмещала бы атомы тория-229, но и защищала их, чтобы отпала необходимость в громоздких вакуумных системах.
Алхимия выращивания кристаллов
«Выращивание кристаллов — это как алхимия. Или как кулинария, — сравнивает Шумм. — Пробуешь один рецепт, другой — пока не получишь нужный результат».
После 15 лет экспериментов его группа отработала методику получения прозрачных кристаллов фторида кальция, легированных торием-229, — они выглядят как миллиметровые кубики стекла.
«В итоге это похоже на крошечный кусочек стекла, но за ним стоят десятки тысяч часов, потраченных на изучение того, как его получить», — добавляет физик.
Вырастить кристалл оказалось недостаточным — потребовалось еще найти лучшее место атому тория в кристаллической решетке. Исследователи в течение 60 секунд облучали образец лазером на одной длине волны, затем выключали его и в течение пяти минут регистрировали свет, испускаемый при переходе возбужденных нейтронов обратно в спокойное состояние. После этого частоту меняли, и цикл повторялся. Оказалось, что торий может занимать четыре различных положения в решетке. Три из них возвращают излучение на нескольких частотах — это признак асимметрии электрического поля вокруг них. Четвертое же положение реагирует только на одну частоту, что говорит об однородном поле и делает его идеальным для часов.
Прототип уже есть
На таком кристалле Шумм и его коллеги уже собрали первые прототипы новых часов и получили патент на конструкцию, которая помещается на небольшом чипе.
«Я не буду называть сроки, когда мы превзойдем лучшие атомные часы, но к концу года мы улучшим наши текущие прототипы как минимум в тысячу раз», — обещает профессор.
Впрочем, пока его команда не гонится за рекордной точностью. Главный приоритет сейчас — миниатюризация часов: сначала уменьшить их с лабораторного стола до размеров обувной коробки. В таком виде их можно будет устанавливать в стойки дата-центров, чтобы банковские транзакции не прерывались даже при потере связи со спутниковыми часами, как это случается сегодня.
