Физики сделали важный шаг в измерении времени. После десятилетий исследований им удалось построить рабочие часы, которые используют не колебания электронов, а изменения энергии внутри атомных ядер.
Для этого учёные взяли атомы тория-229. Именно их ядра стали основой нового типа часов.
Особенно интересно, что успеха добились сразу две независимые команды — в Европе и Китае. Обе группы описали свои результаты в препринтах на arXiv.
Команда под руководством физика Луки Тоскани Де Кола из Венского технического университета заявила, что их система стала первой реализацией ядерных часов, работающих как самостоятельное устройство.
Почему это важно
Атомные часы существуют с 1950-х годов. Они настолько точны, что могут не потерять ни секунды за миллиарды лет. Их работа основана на «тиканье» электронов, которые переходят между энергетическими состояниями под действием лазера.
Ядерные часы устроены иначе. Их идея была предложена в 2003 году: измерять время не по электронам, а по изменениям энергии в самом атомном ядре.
Проблема в том, что такие переходы обычно требуют гораздо более высокой энергии, чем переходы электронов. Поэтому долгое время они были недоступны для большинства лазерных технологий.
Но у ядерных часов есть серьёзное преимущество. Электроны находятся во внешних областях атома, поэтому сильнее зависят от окружающей среды. А ядро спрятано глубоко в центре атома и гораздо меньше подвержено внешним помехам.
В теории это может сделать ядерные часы ещё стабильнее современных атомных часов. Кроме того, они могут стать инструментом для поиска тёмной материи и проверки возможных изменений фундаментальных постоянных природы.
Почему выбрали торий-229
Торий-229 считается особенно подходящим для таких часов. У него есть необычно низкоэнергетический переход, который можно изучать с помощью точной лазерной спектроскопии.
В 2024 году исследователи из Австрии и Германии уже смогли вызвать энергетический переход в тории-229 и добиться его «тиканья».
Следующим шагом было превратить это тиканье в настоящие часы, способные измерять время.
И теперь две команды сделали именно это.
Как работали новые часы
Обе группы использовали ядра тория-229, встроенные в кристаллы фторида кальция. На них воздействовали вакуумно-ультрафиолетовым лазерным светом. Но дальше подходы команд различались.
Европейская команда создала полноценные самостоятельные часы. В их устройстве ядро тория непрерывно стабилизировало частоту лазера.
Учёные сравнили свои часы с уже существующими атомными часами на ионе иттербия. Так они показали, что система может работать долго и стабильно.
Кроме того, европейские исследователи использовали часы для поиска признаков гипотетической сверхлёгкой тёмной материи. Им удалось установить новые ограничения для нескольких предложенных моделей.
Что сделала китайская команда
Китайская команда под руководством физика Бэйчэня Хуана из Университета Цинхуа сосредоточилась на другой задаче.
Учёные проверили часы в двух независимо созданных кристаллах. Им было важно понять, будет ли «тиканье» одинаковым.
Результат оказался почти идентичным. Это важно для будущего твёрдотельных ядерных часов.
Если бы кристалл непредсказуемо менял ядерную частоту, каждое устройство пришлось бы калибровать отдельно. Но близкое совпадение частот показывает, что такие часы в будущем могут стать воспроизводимым стандартом, а не единичным лабораторным экспериментом.
Китайские исследователи считают, что их работа расширяет квантовую метрологию: теперь она переходит от электронных переходов к ядерным. Это может открыть путь к компактным часам, твёрдотельным ядерным квантовым сенсорам и точным проверкам фундаментальной физики.
Пока они не лучшие, но уже работают
Новые устройства пока не превосходят лучшие атомные часы. У тех, как отмечает автор текста, было около 70 лет форы.
Но главное уже доказано: ядерные часы — не просто красивая теория. Они действительно могут работать в реальном мире.
А если прогноз физика Торстена Шумма из Венского технического университета окажется верным, уже через несколько лет они смогут обогнать лучшие современные атомные часы.
