С каждым годом технологии измерения времени становятся все более точными, и новое исследование, проведенное международной командой ученых, может изменить представление о том, как мы отсчитываем время. Ядерные часы — это новый тип устройства, который использует сигналы из атомных ядер, что обещает революцию в области хронометрии и фундаментальной физики. Результаты работы группы были опубликованы в журнале Nature и подчеркивают важность этого прорыва.
Современные атомные часы уже обеспечивают невероятную точность, однако ядерные часы могут поднять эту планку еще выше. Исследователи из JILA, совместного института Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере, продемонстрировали ключевые технологии, необходимые для создания ядерных часов. В своей работе команда использовала ультрафиолетовый лазер для измерения частоты энергетических скачков в ядрах атома тория, встроенных в твердый кристалл. Это уникальный подход, который может обеспечить значительно более точные измерения времени.
Атомные часы работают, основываясь на переходах электронов между энергетическими уровнями, тогда как ядерные часы будут использовать энергетические изменения в ядре атома. Ядро, состоящее из протонов и нейтронов, менее подвержено внешним помехам, что позволяет добиться большей устойчивости к воздействиям окружающей среды. Лазерный свет, необходимый для инициации ядерных переходов, работает на значительно более высоких частотах, что приводит к большему количеству «тиков» в секунду и, соответственно, к повышению точности.
Создание ядерных часов представляет собой сложную задачу. Для достижения энергетических скачков требуется воздействие когерентных рентгеновских лучей, что требует технологий, которые еще не достигли необходимого уровня. Поэтому ученые сосредоточились на тории-229 — атоме с более низким энергетическим барьером, который позволяет использовать ультрафиолетовый свет вместо рентгеновского. Этот подход был предложен еще в 2003 году, однако только в 2016 году ученые смогли непосредственно наблюдать этот ядерный переход.
В новой работе команда из JILA и их коллеги собрали все необходимые компоненты для создания ядерных часов: переход тория-229 для «тиканий», лазер для точного управления энергетическими скачками и оптическую частотную гребенку для измерения этих скачков. Их усилия привели к повышению точности измерений, которая в миллион раз превышает предыдущие результаты. Кроме того, они установили первую прямую частотную связь между ядерным переходом и атомными часами, что является важным шагом к интеграции новых технологий в существующие системы.
Это исследование также дало возможность более детально изучить форму ядра тория, что ранее было невозможно. Ученые сравнили результаты с данными, полученными от атомов стронция, которые используются в одних из самых точных атомных часов в мире. Это открытие может привести к созданию более компактных и надежных устройств для измерения времени, которые будут работать с высокой стабильностью.
Хотя это пока не полностью функционирующие ядерные часы, достижения команды являются важным шагом к созданию устройств, которые могут работать на протяжении миллиардов лет без потери точности.
