Физики впервые запустили ядерные часы на тории-229
Группа физиков впервые показала работающие ядерные часы, в которых опорной частотой служит не электронный переход, а переход внутри атомного ядра. Прототип построили на изотопе тория-229, чьё низкоэнергетическое возбуждение можно адресовать ультрафиолетовым лазером. Сейчас устройство ещё уступает лучшим оптическим атомным часам, но сама архитектура открывает путь к более стабильным стандартам времени и к новым экспериментам в фундаментальной физике.
В отличие от атомных часов, где «тиками» служат переходы электронов между энергетическими уровнями, здесь используется ядерный переход. Для этого исследователи взяли торий-229. Это редкий случай, когда энергия перехода в ядре находится на уровне около 8,4 эВ, а не в диапазоне жёсткого гамма-излучения, недоступного для лазерного контроля. Именно эта особенность десятилетиями делала изотоп главным кандидатом на ядерные часы.
В эксперименте ядра тория встроили в кристалл фторида кальция. Материал прозрачен для нужного ультрафиолета и удерживает атомы в жёсткой решётке, что снижает влияние теплового движения и внешних возмущений. Лазер настраивают на частоту ядерного перехода, а коллективный отклик большого числа ядер формирует стабильный сигнал. Такой подход важен ещё и потому, что ядро в тысячи раз меньше электронной оболочки и слабее чувствительно к паразитным электромагнитным полям.
Современные лучшие оптические атомные часы уже вышли на относительную нестабильность порядка 10-18. Это уровень, на котором ошибка в одну секунду накапливалась бы дольше возраста Вселенной. Новый прототип до таких показателей не дотягивает, что авторы прямо признают, однако в лабораторной метрологии часто важнее сначала доказать работоспособность схемы, чем сразу побить рекорд точности. Здесь этот этап, похоже, пройден.
Как работают ядерные часы на тории-229
Идею ядерных часов обсуждают с 1970-х годов, но практическая реализация упиралась в одну проблему: частоту перехода в тории-229 долго не могли измерить с нужной точностью. Без этого невозможно настроить лазер и стабильно возбуждать ядро. Лишь в последние годы несколько групп шаг за шагом сузили диапазон поиска, а в 2024 году исследователи из JILA и NIST получили параметры, достаточные для адресного возбуждения перехода.
Это не первая попытка превратить торий-229 в рабочий стандарт частоты, однако раньше речь шла либо о косвенных измерениях, либо об отдельных элементах установки. Новый результат важен тем, что показывает именно часовую архитектуру: лазер, твёрдотельную среду, ансамбль ядер и считываемый периодический сигнал. Для отрасли точного времени это тот момент, когда концепция выходит из статуса красивой идеи и становится инженерной задачей.
У ядерных часов есть ещё одно отличие от обычных стандартов частоты. Атомные часы чувствительны прежде всего к электромагнитным эффектам, тогда как ядерный переход сильнее связан со свойствами самого ядра и, соответственно, с сильным и слабым взаимодействиями. По этой причине сравнение показаний оптических и ядерных часов может дать дополнительный канал для поиска сверхмалых сдвигов фундаментальных констант.
Такие эксперименты интересны не только метрологам. Несколько теоретических работ последних лет предлагают искать сверхлёгкую тёмную материю через периодические колебания фундаментальных констант. Если Земля движется через соответствующее поле, два стандарта времени, чувствительные к разным физическим взаимодействиям, должны расходиться по предсказуемому шаблону. Ядерные часы для этого подходят лучше, чем очередной очень хороший цезиевый эталон.
Следующий этап очевиден: улучшение качества кристаллов, стабильности ультрафиолетовых лазеров и методов считывания сигнала. Если эти задачи удастся решить в ближайшие годы, ядерные часы могут перейти из разряда фундаментального эксперимента в прибор для национальных лабораторий. На этом поле конкуренция уже плотная. США, Германия и Япония активно развивают оптические стандарты времени, а их применение давно вышло за пределы физики и включает спутниковую навигацию, геодезию и синхронизацию телеком-сетей.
Рынок здесь невелик в штуках, но критичен по значению. Следующее обновление международного определения секунды, как ожидается, начнут обсуждать ближе к концу десятилетия, и сейчас главными кандидатами считаются именно оптические часы. Если ядерные схемы за это время приблизятся к ним по точности и воспроизводимости, у метрологии появится второй класс эталонов, полезный не только для времени, но и для проверки того, насколько постоянны константы, на которых эта физика вообще держится.
