Революция в хронометрии: ученые представили прототип ядерных часов на основе тория

От первых солнечных часов до современных атомных хронометров, приборы для измерения времени постоянно улучшались в стремлении к высочайшей точности. Недавно произошел значительный прорыв — создан прототип ядерных часов, который может изменить не только методику измерения времени, но и наше понимание физики. Ученые десятилетиями стремились создать ядерные часы для беспрецедентно точного хронометража.

— Представьте себе наручные часы, которые не теряют ни секунды даже спустя миллиарды лет. Мы еще не дошли до этого, но это исследование приближает нас к такому уровню точности, — сказал Цзюнь Йе, физик из NIST и JILA.

От атомных часов к ядерным

В статье, опубликованной в журнале Nature, ученые отметили, что их разработка пока уступает по точности атомным часам. Однако главная цель — не текущая точность. Этот прототип — первый шаг к применению тория. По словам физика Торстена Штрумма из Венского технического университета, с помощью этого прототипа они продемонстрировали, что торий может использоваться как хронометр для исключительно точных измерений.

Переход от атомных часов к ядерным. В стандартных часах время фиксируется кварцевым генератором, заставляющим кристаллы вибрировать с определенной частотой. В атомных часах лазеры вызывают переход электронов между энергетическими уровнями ядер атомов. Хотя атомные часы чрезвычайно точны, их частота ограничена и они требуют периодической настройки, что уменьшает их надежность при высокоточечных измерениях. Ядерные часы могут решить эту проблему. Если атомные часы теряют одну секунду за миллионы лет, то ядерные — за миллиарды. По словам Штрумма, «помимо лазера, нужна квантовая система, которая высоко избирательна к определенной частоте лазера».

Ключ в атомных ядрах

Мысль использовать ядра атомов для создания более точных часов захватывала умы ученых на протяжении десятилетий. Ядро, будучи меньше атома, менее подвержено влиянию внешних магнитных полей. Однако трудность заключалась в энергии, необходимой для переключения ядра между состояниями. Торий оказался исключением: его ядра могут быть переключены лазером. Важно лишь знать разницу между состояниями ядра.

В апреле профессор Штрумм и его команда сделали важный шаг, точно определив эту энергетическую разницу, что позволило переводить ядра тория целенаправленно. Увеличивая точность, можно изменять энергетический уровень ядра тория-229, как и для электронов. В эксперименте ученые объединили стронциевые атомные часы JILA с кристаллом, содержащим ядра тория, и преобразовали инфракрасный свет в ультрафиолетовый.

— Нам нужен способ преобразования инфракрасных частот в ультрафиолетовые, подобно тому, как механическая трансмиссия преобразует медленное вращение в быстрое с помощью соответствующих шестеренок. Мы достигли килогерцовой точности, что в миллион раз лучше, чем в предыдущих тестах. Мы надеемся превзойти лучшие атомные часы в течение 2–3 лет. Все, что остается, — это технические разработки, и нет никаких серьезных препятствий, о которых стоило бы беспокоиться, — объясняет Штрумм.

Они использовали ультракороткие инфракрасные лазерные импульсы разной частоты, создавая своеобразную частотную гребенку. Когда эта гребенка проходила через газ ксенона, атомы излучали ультрафиолетовый свет, направленный затем на кристалл — «ключевой элемент исследования», как объяснили ученые.

В будущем эта технология позволит значительно точнее измерять и другие физические величины. Такая точность может быть использована для изучения основных законов природы и определения, являются ли некоторые физические константы действительно постоянными.

В конечном итоге, ядерные часы могут стать новой основой для всей метрологии. Они предоставят более точные эталоны времени и частоты, которые будут необходимы для развития передовых технологий в самых различных областях науки и техники. Без преувеличения, появление ядерных часов может стать отправной точкой новой эры в науке и технологии, влияя не только на прогресс человечества, но и на наше понимание вселенной в целом.