Физики впервые создали работающие ядерные часы на основе тория-229

Две независимые команды ученых заявили о прорыве, который десятилетиями считался «святым граалем» метрологии — создании действующих прототипов ядерных часов. В этой гонке первенство разделили группы под руководством Бэйчэня Хуана из Университета Цинхуа и Луки Тоскани де Коля из Венского центра квантовых технологий.

В отличие от традиционных атомных часов, отсчитывающих время по колебаниям электронных оболочек, инновационная технология использует энергетические переходы внутри атомного ядра — между состояниями протонов и нейтронов. Ядро гораздо меньше подвержено влиянию внешних электромагнитных помех, что теоретически обеспечивает беспрецедентную точность и стабильность хода.

Главным элементом этих систем стал изотоп торий-229. Его уникальное свойство — необычайно низкая энергия перехода в ядре, которую можно активировать с помощью лазера. Для большинства других элементов подобные процессы требуют колоссальных энергий, недостижимых для лазерных установок.

Долгое время главной преградой была необходимость работы в вакуумном ультрафиолетовом спектре (около 148 нм) — области, где крайне сложно обеспечить стабильную генерацию лазерного луча.

Исследователи преодолели этот барьер, интегрировав ядра тория-229 в кристаллы фторида кальция (CaF2), облучая их непрерывным лазером. Китайские ученые сделали ставку на повышение мощности лазерного излучения, в то время как европейские коллеги оптимизировали концентрацию ядер в структуре кристалла.

Эффективность подходов подтверждена экспериментально. Команда Хуана добилась стабилизации частоты лазера с точностью до 10 в минус 13-й степени за сутки, что ставит их разработку в один ряд с лучшими атомными стандартами современности.

В свою очередь, коллектив Тоскани де Коля применил свою установку для поиска следов ультралегкой темной материи. Ученые искали микроскопические периодические отклонения в энергии ядерного перехода. Хотя наличие темной материи в этом диапазоне пока не подтвердилось, чувствительность эксперимента уже превзошла возможности большинства современных атомных систем.

Данные достижения знаменуют переход ядерных часов от теоретических изысканий к реальным прикладным технологиям. Такие приборы станут не только эталоном времени, но и мощнейшим инструментом для проверки фундаментальных физических констант, позволяя заглянуть за рамки Стандартной модели.

Авторы работ подчеркивают, что миниатюризация технологии — вопрос ближайшего времени. Компактные ядерные часы совершат революцию в навигационных системах, гравиметрии и станут фундаментом для нового поколения физических экспериментов, которые ранее были принципиально невозможны.

Источник: iXBT