Китайские ядерные часы на тории-229 оказались в шесть раз стабильнее европейского прототипа
Физики из Университета Цинхуа создали работающие ядерные часы на основе тория-229, которые в первых испытаниях показали примерно в шесть раз меньшую кратковременную нестабильность частоты, чем независимо разработанный прототип Венского технического университета. Обе системы представлены 7 октября в журнале Nature и относятся к первым полноценным реализациям часов, использующих переход внутри атомного ядра вместо электронных переходов.
Современные атомные часы отсчитывают время по строго определённой частоте переходов электронов между энергетическими уровнями. В ядерных часах роль эталона выполняет переход внутри самого ядра, которое значительно меньше атома и потенциально слабее реагирует на многие внешние электрические и магнитные воздействия.
Для такой системы особенно подходит торий-229. У его ядра существует необычно низкоэнергетическое возбуждённое состояние, переход к которому можно вызвать вакуумным ультрафиолетовым лазером с длиной волны около 148 нанометров. Возможность напрямую возбуждать этот переход лазером была экспериментально продемонстрирована лишь в последние годы.
Команда Университета Цинхуа использовала кристаллы фторида кальция, содержащие ядра тория-229. Узкополосный непрерывный лазер настраивали на частоту ядерного перехода, а возникающий сигнал поглощения использовали как обратную связь для постоянной корректировки частоты лазера.
В оптимальной конфигурации китайские часы показали примерно в шесть раз более высокую кратковременную стабильность, чем независимо созданная венская система. При увеличении времени наблюдения колебания частоты постепенно уменьшались, что позволяло всё точнее поддерживать заданный ядерный переход.
Однако стабильность нельзя напрямую приравнивать к общей точности часов. Она показывает, насколько сильно частота колеблется со временем, тогда как точность зависит ещё и от систематических смещений и способности исследователей учитывать их влияние.
Другой важный результат китайской группы связан с воспроизводимостью. Частоты ядерного перехода в двух независимо изготовленных кристаллах с торием-229 различались лишь примерно на одну десятимиллиардную долю процента. Это показывает, что результат не связан с уникальными свойствами одного конкретного образца и что твёрдотельные ядерные часы потенциально можно производить воспроизводимым способом.
Сам кристалл содержит огромное количество ядер тория, поэтому исследователи могут одновременно получать сигнал от большого ансамбля частиц. При этом устройство остаётся сравнительно компактным, что в перспективе может стать одним из преимуществ твёрдотельных ядерных часов.
Европейская команда из Венского технического университета пошла похожим путём и также стабилизировала непрерывный лазер по ядерному переходу тория-229 в кристалле фторида кальция. Их система смогла работать без вмешательства более суток, а после длительного усреднения относительные колебания частоты уменьшились примерно до одной квадриллионной.
Австрийские исследователи дополнительно использовали часы для поиска возможных периодических изменений ядерной частоты, которые могли бы быть связаны с ультралёгкой тёмной материей. Признаков её обнаружения эксперимент не дал, но позволил установить новые ограничения на некоторые модели взаимодействия тёмной материи с обычным веществом.
Пока ни китайская, ни европейская система не превосходят лучшие современные оптические атомные часы. У наиболее совершенных таких установок погрешность уже может находиться на уровне нескольких частей на десять квинтиллионов, поэтому первым прототипам ядерных часов ещё предстоит значительно улучшить характеристики.
Главное достижение заключается в другом: две независимые команды практически одновременно показали, что ядерный переход тория-229 можно превратить из объекта спектроскопических экспериментов в работающий частотный эталон с автоматической обратной связью. Это открывает путь к компактным ядерным часам и новым экспериментам по фундаментальной физике.
В перспективе такие устройства могут использоваться для поиска изменений фундаментальных физических постоянных, проверки моделей тёмной материи и чрезвычайно точных измерений. Для практического применения исследователям предстоит улучшить качество кристаллов, характеристики ультрафиолетовых лазеров и контроль систематических сдвигов.
Исследования в журнале Nature.