Ядерные часы: новый рубеж в измерении времени
Физики впервые продемонстрировали работоспособность ядерных часов — новейшего устройства для измерения времени, где «тикать» начинает не электрон, а атомное ядро, согласно данным 3DNews.
Современные атомные часы, основанные на переходах электронов в атомах цезия или рубидия, достигают ошибки менее секунды за сотни миллионов лет. Ядерные часы используют иной механизм — переходы внутри ядра, которые потенциально могут обеспечить ещё более стабильный ход.
В сердце прототипа находится изотоп тория‑229, обладающий редким низкоэнергетическим переходом между основным и возбужденным состояниями ядра (около 8,4 эВ). Именно из‑за такой низкой энергии переход можно инициировать ультрафиолетовым лазером, тогда как большинство ядерных переходов требуют высокоэнергетического гамма‑излучения.
Экспериментальная схема включает лазер, настроенный точно на частоту перехода тория‑229. Поглощённые фотоны вызывают переизлучение, которое несёт в себе устойчивые колебания ядра — эти колебания образуют регулярные «сигналы времени».
Для создания оптимальных условий ядра тория‑229 помещены в кристаллическую решётку фторида кальция. Этот прозрачный для ультрафиолета материал фиксирует атомы, минимизируя тепловые шумы, а коллективные колебания множества ядер усиливают точность сигнала.
Исследователи полагают, что в дальнейшем ядерные часы могут превзойти атомные по стабильности, поскольку размеры ядра в несколько раз меньше электронной оболочки, и поэтому ядро менее восприимчиво к внешним электромагнитным возмущениям.
Идея создания ядерных часов возникла в 1970‑х годах, но её реализация отложилась из‑за недостатка данных о переходе тория‑229. Прорыв произошёл в 2024 году, когда команда JILA совместно с Университетом Колорадо и NIST точно измерила частоту этого перехода, сделав возможным лазерное возбуждение.
Хотя текущий прототип пока отстает от лучших оптических атомных часов по точности, главное достижение — подтверждённая работа всей архитектуры. Будущие улучшения планируются в области лазерных систем и качества кристаллических материалов.
Помимо ультраточного хронометража, ядерные часы обещают стать инструментом фундаментальной физики: они реагируют на слабые и сильные ядерные взаимодействия, что позволяет отслеживать крошечные изменения фундаментальных констант.
Сравнение показаний ядерных и оптических атомных часов открывает возможность искать лёгкую тёмную материю, так как некоторые модели предсказывают едва заметные периодические колебания констант при прохождении Земли через соответствующие поля.
Кроме того, данное направление важно для проверки гипотез об изменении фундаментальных параметров во вселенной, что связано с тёмной энергией и космологической эволюцией.
Источник: moe-online.ru
