RW Space

Прорыв в хронометрии, который создавался десятилетиями, может переопределить границы того, как мы следим за временем.

Используя атомы тория-229, физики построили функциональные часы, основанные не на колебаниях электронов, а на возвратно-поступательных энергетических сдвигах самих атомных ядер.

Что делает это достижение еще более захватывающим, так это то, что оно было достигнуто дважды двумя независимыми группами ученых: в Европе и США. Китай.

Обе команды подробно описали свою важную работу в препринтах arXiv.

«Система, представленная в этой работе, — пишет команда под руководством физика Луки Тоскани Де Коля из Венского технического университета, — представляет собой первую реализацию ядерных часов, которые работают как автономное устройство».

Атомные часы, впервые построенные в 1950-х годах, могут отсчитывать время с такой точностью, что ни одна секунда не будет потеряна в течение миллиардов лет.

Они отслеживают время, основанное на точном «тикании» электронов, когда они переключаются между энергетическими состояниями под воздействием лазера.

Ядерные часы, впервые предложенные в 2003 году, будут измерять время, отслеживая изменения энергии в самом ядре. Достичь этого оказалось гораздо сложнее, поскольку ядерные переходы обычно требуют гораздо более высоких энергий, чем электронные, что делает их недоступными для большинства лазерных технологий.

Но есть очень веская причина для развития технологии ядерных часов.

Электроны занимают внешние области атома, что делает их – и атомные часы – более уязвимыми для влияний из окружающей среды.

Ядро, напротив, расположено глубоко в центре атома и гораздо менее восприимчиво к внешнему вмешательству.

Теоретически это могло бы сделать ядерные часы даже более стабильными, чем сегодняшние атомные часы, а также превратить их в мощные инструменты для исследования таких явлений, как темная материя и возможные изменения фундаментальных констант природы.

Торий-229, как указано в статье 2003 года, является отличной мишенью для этой технологии, поскольку он имеет исключительно низкоэнергетическое переходное состояние, что делает его доступным для прецизионной лазерной спектроскопии.

В 2024 году исследователи из Австрии и Германии совершили несколько прорывов, запустив энергетический переход в тория-229, а затем заставить его «тикать».

Следующим шагом было превратить этот механизм в настоящие часы, которые могли бы отсчитывать время.

И это то, что сделали две исследовательские группы.

Обе команды построили свои часы на основе ядер тория-229, внедренных в кристаллы фторида кальция и подвергшихся воздействию вакуумно-ультрафиолетового лазерного света. Однако их подходы разошлись.

Устройство европейской команды работало как полностью автономные часы, используя ядро тория для непрерывной стабилизации частоты лазера.

Исследователи сравнили свои часы с существующими атомными часами на ионах иттербия, продемонстрировав долговременную работу и стабильность.

Они также использовали часы для поиска признаков гипотетической сверхсветовой темноты материи, устанавливая новые ограничения на несколько предложенных моделей.

«Получая выгоду от повышенной чувствительности перехода тория-229, эти ограничения конкурируют с лучшими атомными часами в отношении взаимодействия темной материи с фотонами и выходят за рамки предыдущих измерений в отношении взаимодействия с сильным взаимодействием и кварками», — пишут они в своей статье.

Тем временем китайская группа под руководством физика Бэйчена Хуана из Университета Цинхуа добилась немного иного focus.

Они протестировали свои часы на двух независимо изготовленных кристаллах, чтобы установить, было ли тикание постоянным.

Их часы давали почти одинаковые частоты, что решало главную проблему твердотельных ядерных часов.

Если бы кристаллическая среда непредсказуемо изменила частоту ядра, каждому устройству потребовалась бы своя собственная калибровка.

Вместо этого тесное соглашение предполагает, что ядерные часы могут в конечном итоге стать воспроизводимыми стандартами, а не разовыми лабораторными демонстрациями.

По теме: У нас есть новый рекорд для самых точных часов, когда-либо созданных

«Сделав атомное ядро с лазерной адресацией рабочим эталоном часов, — пишет китайская команда, — эта работа расширяет квантовую метрологию от электронных до ядерных переходов и открывает новую платформу для компактных часов, твердотельные ядерные квантовые датчики и прецизионные тесты фундаментальной физики».

Новые устройства пока не превосходят лучшие атомные часы – которые, честно говоря, имеют 70-летний старт – но они показывают, что ядерные часы – это не просто теоретическая мечта.

Они могут и работают в реальном мире.

И если предсказание физика Венского технического университета Торстена Шумма на 2024 год окажется верным, они могут всего за несколько лет даже превзойдут лучшие на сегодняшний день атомные часы.

Часы описаны в препринтах, загруженных на arXiv, здесь и здесь.