Специалисты из Венского технического университета определили наиболее подходящее расположение атомов тория-229 внутри кристалла, что может послужить значительным прорывом в разработке ядерных часов нового поколения. Согласно оценкам исследовательской группы, подобные устройства способны достичь точности, превышающей характеристики существующих атомных часов приблизительно в десять раз.

Процесс подбора оптимальной кристаллической структуры занял свыше пятнадцати лет. В ходе исследований ученые изучали способы интеграции атомов изотопа торий-229 в кристаллическую решетку фторида кальция, сохраняя при этом характеристики, необходимые для стабильного функционирования будущих ядерных часов.

В современных атомных часах измерение времени осуществляется посредством отслеживания переходов электронов между энергетическими уровнями атома под воздействием лазерного излучения. Именно эти часы лежат в основе спутниковой навигации, телекоммуникационных систем, финансовых операций и множества других технологий, требующих высочайшей степени синхронизации.

Тем не менее, атомные часы подвержены влиянию внешних электрических и магнитных полей. Для минимизации воздействия подобных помех зачастую требуется сложное оборудование, включая вакуумные камеры и системы защиты.

Ядерные часы основаны на использовании переходов, происходящих внутри атомных ядер.

В конструкции ядерных часов функцию маятника выполняет не электронный переход, а изменение энергетического состояния атомного ядра. При этом электронная оболочка частично защищает ядро от внешнего воздействия, что открывает возможности для создания более компактных и помехоустойчивых устройств.

Среди различных изотопов особое внимание привлекает торий-229: его атомное ядро характеризуется низкоэнергетическим возбужденным состоянием, которое может быть изучено с помощью ультрафиолетового лазерного излучения.

Для применения изотопа торий-229 в атомных часах требуется интегрировать его атомы в подходящую матрицу. В ходе исследований был выбран кристалл фторида кальция, однако выяснилось, что расположение каждого атома тория внутри кристаллической структуры играет критическую роль.

Неблагоприятные условия для тория приводят к формированию неоднородного электрического поля вокруг него, что влияет на характеристики ядерного перехода и снижает точность работы будущих часов.

Специалистам удалось определить оптимальное местоположение для атомов тория-229.

В процессе эксперимента исследователи применяли ультрафиолетовый лазер для активации ядер тория-229, затем прекращали воздействие лазера и фиксировали излучение, возникающее при переходе ядер в исходное энергетическое состояние.

Проведенные исследования продемонстрировали, что атомы тория способны занимать четыре различных позиции в кристаллической решётке. В трёх случаях наблюдалось излучение на нескольких длинах волн, что свидетельствует о воздействии неоднородного электрического поля.

Тем не менее, при четвертом наблюдении был зафиксирован лишь один спектральный сдвиг. Данный факт указывает на то, что во внешних условиях воздействие электрических полей оказывает существенно меньшее влияние на ядро тория.

Именно эту конфигурацию специалисты рассматривают как наиболее перспективную для разработки высокоточных атомных часов.

На основании полученных данных группа разработчиков уже изготовила опытный образец устройства. В будущем предполагается возможность существенного уменьшения габаритов подобных ядерных часов, что позволит интегрировать их в небольшие электронные приборы или специализированные микросхемы.

В ближайшей перспективе ученые планируют значительно улучшить точность созданного прототипа и впоследствии разработать атомные часы, характеристики которых превысят показатели современных систем измерения времени приблизительно на порядок.

Исследование опубликовано в журнале Science.