Ученые впервые создали рабочие ядерные часы на основе тория-229

Две независимые исследовательские группы сообщили о достижении одной из ключевых целей современной физики — создании работающих ядерных часов. Разработки выполнены командами Бэйчэня Хуана из Университета Цинхуа (Китай) и Лука Тоскани де Коля из Венского центра квантовой науки и технологий (Австрия), сообщает iXBT.

В отличие от привычных атомных часов, которые измеряют время по частотам переходов электронов между энергетическими уровнями атома, в новых работах часы используют переходы внутри самого атомного ядра — между энергетическими состояниями протонов и нейтронов. Теоретически это делает их значительно более устойчивыми к внешним воздействиям, поскольку ядро экранировано от электрических и магнитных полей сильнее, чем электронные оболочки.

Ключевым физическим объектом для реализации ядерных часов стал изотоп тория-229. Его уникальность заключается в том, что энергетический переход в ядре имеет необычно низкую энергию для ядерных процессов и может быть возбуждён лазерным излучением. Для подавляющего большинства других ядер это невозможно из-за гораздо более высоких энергетических масштабов.

Основной технической проблемой, до сих пор сдерживавшей создание таких часов, остаётся необходимость работы в диапазоне спектра с длиной волны порядка 148 нанометров, где генерация и стабильное управление лазерным излучением крайне сложны.

Обе группы обошли это ограничение, используя кристаллы фторида кальция (CaF2), в которые были внедрены ядра тория-229, и облучая их узким непрерывным лазером в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне. При этом подходы различались: китайская группа использовала более мощный лазерный источник, тогда как европейская — кристалл с более высокой концентрацией ядер тория.

Для проверки работоспособности систем исследователи применили разные методы верификации. Команда Хуана продемонстрировала стабилизацию частоты вакуумного ультрафиолетового лазера, «привязанного» к ядерному переходу. Достигнутая стабильность составила порядка одной части на 10 триллионов за сутки работы, что сопоставимо с лучшими современными атомными часами.

Группа Тоскани де Коля использовала свою систему для поиска возможных сигналов ультралёгкой тёмной материи — гипотетических частиц, которые могут составлять значительную часть массы Вселенной. В рамках эксперимента анализировались возможные периодические сдвиги в энергии ядерного перехода тория-229. Хотя сигнал тёмной материи обнаружен не был, достигнутая чувствительность оказалась на уровне или выше лучших атомных часов.

Совокупно результаты обоих исследований демонстрируют, что ядерные часы переходят из теоретической концепции в экспериментально реализуемую технологию. Помимо сверхточного измерения времени, такие системы могут стать инструментом для проверки фундаментальных констант физики и поиска новых эффектов, выходящих за пределы Стандартной модели.

В перспективе авторы обеих работ отмечают возможность миниатюризации технологии и создания компактных ядерных часов. Потенциальные области применения включают навигационные системы нового поколения, высокоточные гравитационные измерения и фундаментальные тесты физики, недоступные существующим атомным стандартам времени.