Учёные представили первые работающие ядерные часы

Исследовательские группы из Китая и Австрии независимо друг от друга продемонстрировали работу первых ядерных часов. В отличие от привычных атомных часов, которые отслеживают переходы электронов между энергетическими уровнями, новый тип приборов использует переходы внутри атомного ядра — между состояниями протонов и нейтронов.

О результатах двух исследований сообщили в журнале Nature. Китайскую команду возглавили учёные Университета Цинхуа, австрийскую — исследователи Венского технического университета TU Wien.

Атомные часы применяются для сверхточного измерения времени с середины XX века. Первое такое устройство создали в 1949 году. Несмотря на название, принцип их работы не связан ни с ядерным синтезом, ни с делением атомов: часы фиксируют частоту электромагнитного излучения при переходах электронов между энергетическими уровнями. Новые разработки показывают, что эталоном частоты может служить и переход в самом атомном ядре.

Обе команды использовали торий-229 — редкий изотоп с необычно низкоэнергетическим ядерным переходом. Его можно возбуждать ультрафиолетовым излучением с длиной волны около 148,4 нанометра. Исследователи направляли такой свет на кристаллы фторида кальция, содержащие атомы тория-229, а затем стабилизировали частоту лазера по отклику ядер.

Ключевой результат экспериментов — учёным удалось зафиксировать частоту лазера на ядерном переходе и замкнуть контур обратной связи, необходимый для работы часов. На нынешнем этапе речь идёт о демонстрации принципа и действующих лабораторных установках: их точность и стабильность ещё предстоит улучшать. Однако сам факт работы ядерного эталона частоты подтверждает, что такая технология может стать основой нового поколения измерительных приборов.

Высокоточные часы нужны не только для научных экспериментов. Они обеспечивают работу спутниковой навигации и телекоммуникационных систем, а также помогают синхронизировать оборудование. В перспективе ядерные часы могут сделать такие измерения точнее и, при дальнейшем развитии технологии, стать более компактными и устойчивыми к внешним воздействиям.

Особый интерес разработка представляет для фундаментальной физики. Ядерный переход тория-229 может быть чувствителен к возможным изменениям фундаментальных физических констант. Сравнение ядерных часов с атомными позволит проверять точность современных физических теорий и искать возможные сигналы, связанные, например, с тёмной материей. Эти направления пока относятся к перспективам исследований: практическое применение часов потребует дальнейшего повышения их точности и стабильности.