Физики из Венского технического университета нашли оптимальное положение для атомов тория-229 внутри кристалла, что может стать важным шагом к созданию ядерных часов нового поколения. По оценке исследователей, такие устройства потенциально смогут обеспечить точность, примерно в десять раз превышающую показатели существующих атомных часов.
Работа над подходящим кристаллом заняла более 15 лет. Учёные исследовали, каким образом атомы изотопа торий-229 могут быть встроены в кристаллическую решётку фторида кальция, сохраняя свойства, необходимые для стабильной работы будущих ядерных часов.
Современные атомные часы измеряют время, отслеживая переходы электронов между энергетическими уровнями атома под воздействием лазерного излучения. Именно такие часы лежат в основе спутниковой навигации, телекоммуникаций, финансовых систем и многих других технологий, требующих чрезвычайно точной синхронизации.
Однако атомные часы чувствительны к воздействию внешних электрических и магнитных полей. Для защиты от подобных помех часто требуется сложное оборудование, включая вакуумные камеры и системы экранирования.
Ядерные часы используют переходы внутри атомного ядра
В ядерных часах роль своеобразного маятника выполняет не электронный переход, а переход между энергетическими состояниями атомного ядра. Электронная оболочка при этом частично экранирует ядро от внешних воздействий, что потенциально позволяет сделать такие часы более компактными и устойчивыми к помехам.
Особый интерес для этой технологии представляет изотоп торий-229. Его атомное ядро обладает необычно низкоэнергетическим возбуждённым состоянием, которое можно исследовать с помощью ультрафиолетового лазерного излучения.
Чтобы использовать торий-229 в ядерных часах, атомы необходимо встроить в подходящий материал. Исследователи выбрали кристалл фторида кальция, однако оказалось, что точное положение атома тория внутри кристаллической решётки имеет решающее значение.
Если торий оказывается в неблагоприятном положении, вокруг него возникает неоднородное электрическое поле. Это приводит к изменению характеристик ядерного перехода и снижает точность будущих часов.
Учёные нашли идеальное положение для тория-229
Исследователи использовали ультрафиолетовый лазер для возбуждения ядер тория-229, после чего выключали лазер и наблюдали за излучением, возникающим при возвращении ядер в исходное энергетическое состояние.
Эксперименты показали, что атомы тория могут занимать четыре различных положения в кристаллической решётке. В трёх случаях наблюдалось излучение на нескольких длинах волн, что указывало на влияние неоднородного электрического поля.
Однако в четвёртом случае был зарегистрирован только один спектральный переход. Это означает, что в таком положении внешние электрические возмущения значительно меньше влияют на ядро тория.
Именно этот вариант учёные считают наиболее подходящим для создания высокоточных ядерных часов.
На основе полученных результатов команда уже создала прототип устройства. В перспективе подобные ядерные часы могут быть значительно миниатюризированы и размещены на компактных электронных устройствах или специализированных чипах.
Исследователи рассчитывают в ближайшее время существенно повысить точность своего прототипа, а в дальнейшем создать ядерные часы, которые смогут превзойти современные системы измерения времени примерно на порядок.
Исследование в журнале Science.