Физики создали ядерные часы на основе тория

Два независимых коллектива ученых из Пекина и Вена практически одновременно презентовали первые в истории ядерные хронометры, фиксирующие время благодаря деформации и расправлению атомных ядер радиоактивного тория. Уникальная точность этих устройств поражает: они ошибутся всего на одну секунду лишь по прошествии нескольких миллионов лет. Соответствующие выводы были обнародованы на страницах авторитетного издания Nature.

Разумеется, дебютные ядерные часы пока не смогут заменить привычную инфраструктуру атомных стандартов времени, лежащую в основе GPS-навигации и эталонного исчисления секунд. Более того, они не претендуют на абсолютное лидерство в точности: передовые атомные аналоги превосходят их примерно в 10 000 раз, сбиваясь на секунду лишь спустя более чем 100 миллиардов лет.

Принцип работы ядерного хронометра заключается в воздействии лазерным лучом на ядро атома с последующим подсчетом частоты переходов ядра между двумя изомерными состояниями. Как правило, для подобных трансформаций требуется колоссальный объем энергии, однако изотоп торий-229 представляет собой уникальное исключение из правил.

Еще в 2003 году физики осознали перспективность поиска резонансной частоты тория-229. Задумка заключалась в том, чтобы настроить лазер строго на определенную частоту и принудить ядра совершать цикличные колебания между «сжатой» и «расслабленной» фазами. Подсчет этих микроскопических пульсаций и должен был лечь в основу отсчета времени. Спустя два десятилетия кропотливых изысканий научным группам удалось вычислить искомый резонанс тория-229, соответствующий жесткому ультрафиолетовому спектру с длиной волны 148 нанометров.

Финальным недостающим элементом конструкции стала система обратной связи. Подобно тому как механические часы с маятником со временем неизбежно отстают и требуют завода, лазерный луч подвержен частотному дрейфу. Для устранения этой погрешности пекинские и венские специалисты разработали специальные алгоритмы мониторинга и коррекции лазерной частоты, обеспечившие стабильность хода.

В ходе экспериментов обе команды направили лазерное излучение на кристалл с внедренными атомами тория и зафиксировали высокочастотные ядерные колебания. Результаты обоих экспериментов продемонстрировали высокую степень сходимости. Венская разработка отстанет всего на одну секунду за несколько миллионов лет. Пекинский прибор продемонстрировал еще более впечатляющие показатели: если бы он был запущен в эпоху гибели динозавров 65 миллионов лет назад, к текущему моменту его погрешность составила бы около двух секунд.

Создатели ядерных часов прогнозируют стремительный рост характеристик этих революционных устройств по мере совершенствования кристаллической матрицы и увеличения мощности лазерных установок.

Источник