Мечта физиков о ядерных часах — устройстве, способном отсчитывать время с недостижимой прежде точностью наконец стала реальностью. Спустя десятилетия усилий сразу две научные группы независимо друг от друга продемонстрировали работающие прототипы. Одна команда работала в Китае (Университет Цинхуа), другая — в Европе (Венский центр квантовых наук и технологий). В основе обеих разработок лежит редкий изотоп торий-229.

Изображение: interestingengineering.com

В отличие от обычных атомных часов, где используются электронные переходы, ядерные часы опираются на переходы внутри атомного ядра. Ядро значительно меньше электрона и практически нечувствительно к внешним электрическим и магнитным полям, которые неизбежно вносят погрешность в атомные часы. Проблема в том, что почти все ядерные переходы требуют чрезвычайно высоких энергий — недоступных для обычных лазеров. Исключение — торий-229: его ядро имеет аномально низковозбуждённое состояние, достижимое с помощью ультрафиолетового лазера (длина волны около 148 нанометров, глубокий вакуумный ультрафиолет).

Атомы тория-229 встраивались в кристаллы фторида кальция — твёрдый носитель, который удерживает ядра на месте и позволяет лазеру с ними взаимодействовать. Затем кристаллы облучались непрерывными вакуумными ультрафиолетовыми лазерами, точно настроенными на резонанс тория.

Китайская группа использовала более мощный лазер и добилась прямого захвата частоты лазера на ядерный резонанс. В результате частота лазера непрерывно подстраивалась под ядро — это и есть режим часов. Заявленная нестабильность частоты составила величину порядка одной триллионной доли за сутки работы. Европейская команда сделала упор на другой аспект: они применили свою систему для поиска сверхлёгкой тёмной материи. Это гипотетическая форма материи, которая могла бы вызывать периодические сдвиги энергии ядерного перехода. Никакой тёмной материи обнаружено не было, зато эксперимент доказал, что ядерные часы по чувствительности уже сопоставимы (или даже превосходят) лучшие атомные часы в мире.

Оба исследования опубликованы одновременно и знаменуют переход ядерных хронометров из области теории в действующую технологию. Пока это лабораторные системы, но в будущем их обещают усовершенствовать: уменьшить размер и сложность, повысить точность. Среди потенциальных применений — сверхточная спутниковая навигация, гравитационные измерения новой точности и проверка фундаментальных законов физики.