Запущенные первые в мире ядерные часы станут точнее атомных

Физики впервые показали, что ядерные часы — устройство для измерения времени нового типа — действительно может работать. В отличие от привычных атомных часов, где время отслеживают по электронным переходам в атомах, здесь «тикать» будет ядро: колебания происходят внутри атомного ядра, сообщает 3DNews.

Сегодняшние атомные часы считаются рекордсменами по точности. Они измеряют частоту электронных переходов в атомах цезия или рубидия и способны накапливать ошибку менее секунды за сотни миллионов лет. Ядерные часы же опираются на другой физический механизм — на переходы в ядре, которые могут оказаться более стабильными.

В центре прототипа — изотоп тория-229. Его особенность в том, что у ядра есть очень низкоэнергетический переход между основным и возбуждённым состояниями. Энергия этого перехода составляет около 8,4 эВ, поэтому его можно «запускать» с помощью ультрафиолетового лазера. Большинство других ядерных переходов сопровождаются гамма-излучением высокой энергии, что делает лазерное управление практически невозможным, но торий-229 стал редким исключением.

В эксперименте лазер наводят на частоту, точно соответствующую переходу тория-229. После поглощения и последующего переизлучения фотонов возникают устойчивые колебания — именно они и формируют регулярные «сигналы времени».

Чтобы обеспечить подходящую среду, ядра тория-229 разместили в кристалле фторида кальция. Этот материал прозрачен для нужного ультрафиолета и надёжно удерживает атомы в кристаллической решётке, уменьшая влияние тепловых колебаний. Кроме того, сигнал формируется коллективно — за счёт одновременных колебаний большого числа ядер, что способствует повышению точности.

Авторы проекта рассчитывают, что в перспективе ядерные часы могут превзойти атомные по стабильности. Причина — масштаб: размеры ядра на порядки меньше электронной оболочки. Поэтому ядро слабее реагирует на внешние электромагнитные факторы и другие воздействия, которые способны вносить погрешности.

Идея ядерных часов обсуждалась ещё в 1970-х, но реализовать её долго не удавалось из-за нехватки данных о характеристиках перехода тория-229. Существенный прогресс произошёл в последние годы: в 2024 году исследователи из JILA (при участии Университета Колорадо в Боулдере и NIST) измерили частоту перехода достаточно точно, чтобы стало возможно лазерное возбуждение.

Сейчас прототип ещё уступает лучшим оптическим атомным часам по точности, однако главное достижение — сама работоспособная архитектура. Дальнейшие шаги связывают с улучшением лазерных систем и качества кристаллов.

Помимо сверхточного хронометража, ядерные часы могут стать инструментом фундаментальной физики. В отличие от атомных часов, чувствительных прежде всего к электромагнитным взаимодействиям, ядро связано со слабыми и сильными ядерными силами. Поэтому такие приборы способны замечать даже чрезвычайно малые изменения фундаментальных констант.

Наконец, сравнение показаний ядерных и оптических атомных часов может помочь в поиске сверхлёгкой тёмной материи: некоторые модели предполагают, что при движении Земли через соответствующие поля могут возникать едва заметные периодические колебания констант.

Также это направление важно для проверки гипотез об изменении фундаментальных параметров на космологических временах, что связано с темой тёмной энергии и эволюции Вселенной.