Ядерные часы на тории-229 впервые показали воспроизводимый результат

В мире сейчас работают всего два экспериментальных ядерных часа, и китайский вариант оказался заметно стабильнее. Команда из Университета Цинхуа добилась точности хода примерно в шесть раз выше, чем у конкурирующей системы из Вены. Результаты опубликованы в журнале Nature.

При чем тут атомное ядро

Обычные атомные часы, которые уже больше 70 лет задают стандарт точного времени, следят за тем, как меняется энергия электронов в атоме. Новый подход устроен иначе. Здесь «маятником» служит не электрон, а само атомное ядро, у которого тоже есть свои внутренние переходы между энергетическими состояниями.

Разница важна потому, что электроны занимают довольно обширную область вокруг атома, а ядро, наоборот, крошечное и гораздо прочнее «связано» внутри себя. Значит, в теории оно меньше подвержено влиянию внешних электрических и магнитных полей, а это сулит еще более высокую точность хода часов в перспективе.

Обе команды, китайская и австрийская, построили свои часы на основе ядер тория 229, вмороженных внутрь кристаллов. У тория 229 здесь есть редкое преимущество. Его ядро реагирует на ультрафиолетовый свет такой энергии, которую современные лазеры вполне способны обеспечить. Большинству других ядер для похожих переходов нужна куда более высокая энергия. Ученые вообще научились «раскачивать» ядро тория 229 лазером лишь в 2024 году.

Как устроены китайские часы

В системе из Цинхуа ультрафиолетовый свет получают, нагревая пары кадмия до 600 градусов Цельсия, а затем направляют этот свет в крошечный кристалл, легированный торием. Сам кристалл меньше рисового зернышка, но внутри него помещается около квадриллиона ядер тория.

Чтобы убедиться, что сигнал действительно надежный, а не случайность одного удачного образца, ученые вырастили несколько кристаллов отдельно друг от друга и сравнили получаемые от них часовые сигналы. Разница между показаниями разных кристаллов оказалась настолько малой, что составила всего около трех десятых триллионной доли. То есть кристаллы вели себя практически одинаково. Результат также совпал с более ранними измерениями коллег из американской лаборатории JILA в Колорадо.

«Этот результат укрепляет аргументы в пользу воспроизводимости ядерных часов», отметил руководитель работы из Цинхуа Дин Шицянь.

По его словам, в перспективе такую технологию вполне реально довести до практического эталона времени.

Почему у Вены другая проблема

Венский вариант часов использует кристалл, в котором тория примерно в 200 раз больше, чем в китайском образце, а сигнал там сверяют с атомными часами через оптоволоконную линию длиной около 10 километров. Но у этой системы обнаружилась своя сложность. Сигнал слегка менялся в зависимости от того, через какую именно точку кристалла проходил лазер. Из за этого часы каждый день шли чуть иначе, чем накануне. Решить проблему исследователи рассчитывают с помощью более качественных кристаллов.

Зачем все это нужно

Ядерные часы интересны физикам не только как более точный способ измерять время. Сравнивая показания ядерных и атомных часов, ученые могут искать крошечные изменения фундаментальных физических констант. Это один из способов охоты за темной материей. Венская команда уже пробовала использовать свои часы именно для такого поиска, хотя пока без результата. Признаков темной материи эксперимент не выявил.

Среди главных трудностей остается острая нехватка самого тория 229, из за чего сложно экспериментировать с новыми конструкциями кристаллов. Более качественные кристаллы с равномерным распределением тория и меньшим числом внутренних дефектов, а также более мощные лазеры могли бы заметно улучшить работу подобных часов.

Пока ядерные часы заметно уступают по стабильности лучшим атомным аналогам, на которых держатся системы вроде спутниковой навигации, требующие предельной точности хода времени. Недавно исследователи из Сингапура представили оптические атомные часы на лютеции 176, которым для накопления погрешности в одну секунду потребовалось бы более 260 млрд лет. Ядерным часам еще предстоит приблизиться к такой стабильности, а затем выйти за пределы специализированных лабораторий и найти применение в более широком круге задач.