Ученые совершили значительный прогресс в создании ядерных часов — устройства, которое отслеживает время, фиксируя энергетические изменения в ядре атома, выступающие в роли «тиков». Ядерные часы должны превзойти атомные по точности и стабильности. Атомные часы функционируют, используя лазеры, частота излучения которых точно соответствует энергии, необходимой для перехода электронов между уровнями внутри атома. Эти часы теряют или добавляют всего одну…
Разработка ядерных часов, устройства, измеряющего время посредством фиксации энергетических изменений в ядре атома, получила значительный импульс благодаря работе ученых».
Ядерные часы, как ожидается, превзойдут атомные по точности и стабильности. Атомные часы функционируют благодаря лазерам, частота излучения которых идеально соответствует энергии, требуемой для перемещения электронов между уровнями в атоме. Такие часы теряют или приобретают всего одну секунду за 40 миллиардов лет.
Ядерные часы измеряют изменения, происходящие внутри ядра, в частности взаимодействия протонов и нейтронов, что позволяет повысить их точность. Внутренние частицы ядра характеризуются меньшей восприимчивостью к внешним факторам, таким как электромагнитные поля.
Для создания ядерных часов из большинства веществ требуется рентгеновское излучение с чрезвычайно высокой энергией. Поэтому ученые сосредоточились на тории-229: его ядерный переход требует ультрафиолетового света co значительно более низкой энергией.
Исследовательская группа применила встроенные в кристалл CaF 2 атомы тория-229. Ученые применили частотный гребень — оптическое устройство, которое с высокой точностью подсчитывает количество циклов излучения, вызывающих «тик». В работе, опубликованной в журнале Nature, ученые впервые зарегистрировали переход атомов тория-229 в возбужденное состояние и определили частоту, спровоцировавшую этот процесс.
Точность измерений увеличилась на порядок величины в сто тысяч раз. Также, исследователи впервые непосредственно сравнили подобранную ультрафиолетовую частоту с оптической частотой одних из самых точных атомных часов в мире, основанных на стронции. Это стало первым прямым связующим звеном между ядерным переходом и атомными часами.
Ядерные часы потенциально могут превосходить по точности существующие атомные часы, которые уже незаменимы для навигационных систем, работы интернета, обеспечения стабильности сетевых соединений и защиты цифровых коммуникаций. Изменение частоты колебаний таких часов может свидетельствовать об изменениях в фундаментальных силах, определяющих структуру ядра. Благодаря такой высокой чувствительности ученые смогут обнаружить влияние темной материи на вещество.
Прежде чем ядерные часы достигнут атомных по точности, потребуется проведение дополнительных исследований. Точность будет проверяться, а лазерные системы – оптимизироваться. Несмотря на то, что данное техническое решение пока нельзя считать полноценными ядерными часами, оно включает в себя ключевые технологии, необходимые для их разработки.