Как физики создали первые в мире ядерные часы на основе тория-229
Фото: телеканал «Санкт-Петербург» / АО «ГАТР»
Две независимые научные группы, представляющие Китай и Европу, совершили синхронный прорыв, представив функционирующие прототипы ядерных часов. В основе их работы лежит изотоп тория-229. Ключевое преимущество такого подхода заключается в том, что атомное ядро, будучи в тысячи раз меньше электрона и значительно лучше изолированным от внешних полей, обеспечивает потенциально недостижимую для современных технологий стабильность и точность.
От теории к практике: как работают ядерные часы
Как пишет издание Interesting Engineering, в отличие от традиционных атомных часов, которые фиксируют частоту света при переходах электронов между энергетическими уровнями, ядерные часы используют для измерения времени переходы внутри самого ядра. Это делает их менее восприимчивыми к внешним помехам.
Долгое время реализация этой концепции была невозможна, поскольку большинство ядерных переходов требуют для контроля гамма-излучения. Уникальность тория-229 состоит в его сверхнизком энергетическом переходе, который может быть инициирован ультрафиолетовым лазерным излучением.
Две стратегии — один результат
Обе исследовательские команды применили схожий метод: они имплантировали ядра тория-229 в кристаллическую решётку фторида кальция и воздействовали на них непрерывным ультрафиолетовым лазером (длина волны 148 нм).
- Китайская команда из Университета Цинхуа задействовала более мощную лазерную систему. Их эксперимент показал, что нестабильность часов после суток работы достигла уровня одна часть на 10 триллионов, что подтвердило возможность использования ядерного перехода в качестве стабильного временного эталона.
- Европейская команда из Венского центра квантовых наук и технологий, в свою очередь, использовала кристаллы с повышенной концентрацией ядер тория. Они провели эксперимент по поиску сверхлёгкой тёмной материи, анализируя периодические флуктуации энергии ядерных переходов. Хотя признаков тёмной материи обнаружено не было, опыт доказал, что чувствительность таких часов не уступает лучшим атомным аналогам.
Что это значит для будущего?
Совокупно эти исследования предоставляют наиболее весомые на сегодняшний день доказательства того, что технология создания практических и работающих ядерных часов перешла из теоретической плоскости в реальность.
В перспективе эта технология позволит:
- Улучшить системы спутниковой навигации (GPS/ГЛОНАСС) до сантиметрового уровня точности.
- Создать сверхчувствительные детекторы гравитационных волн и темной материи.
- Проводить новые фундаментальные тесты законов физики.
В будущем такие устройства могут превзойти по точности современные атомные часы, что приведёт к совершенствованию систем навигации, гравиметрии и других научных инструментов.
Ранее телеканал «Санкт-Петербург» сообщал, что в Испании палеонтологи нашли новый вид древнего хищника – медведя-собаки.