Разработаны самостабилизирующиеся ядерные часы с погрешностью в 1 секунду за 30 миллионов лет

Исследователи из TU Wien представили первый в истории самостабилизирующийся ядерный хронометр, которому для поддержания эталонной стабильности не требуются классические атомные аналоги. Устройство задействует квантовые переходы между энергетическими уровнями ядер тория, что позволяет в автоматическом режиме калибровать частоту лазера.

Экспериментальный образец бесперебойно функционировал более суток без какого-либо внешнего вмешательства, при этом расчетная относительная погрешность составила порядка одной секунды за 30 миллионов лет. На данный момент установка уступает передовым оптическим атомным часам, однако она впервые на практике доказала жизнеспособность концепции независимой стабилизации на основе ядерных переходов.

Фундаментом технологии выступает уникальная особенность изотопа тория: энергетический зазор между двумя его состояниями настолько мал, что возбудить переход можно с помощью лазерного луча. Для подавляющего большинства других элементов подобные процессы требуют колоссальных затрат энергии. Весной 2024 года физики впервые осуществили этот переход экспериментально, а уже осенью интегрировали систему с традиционными оптическими часами, доказав перспективность тория в качестве высокоточного эталона времени.

Следующим шагом научной группы стало создание замкнутой системы автоматического контроля лазерного излучения. Ее сердцем является выращенный в лаборатории TU Wien специализированный кристалл, легированный атомами тория. Атомные ядра поглощают свет исключительно на строго определенной частоте. При малейшем сбое интенсивность поглощения падает, электроника мгновенно регистрирует отклонение и возвращает лазер в оптимальный режим. Если в традиционных часах стабилизация базируется на электронных переходах, то здесь эту роль выполняют глубинные свойства атомных ядер.

Главный козырь ядерной архитектуры заключается в том, что атомные ядра миниатюрнее электронных оболочек более чем в 10 000 раз, благодаря чему они гораздо лучше защищены от внешних помех, способных исказить результаты. Упомянутая точность «секунда на 30 миллионов лет» является математической экстраполяцией кратковременных измерений, а не итогом многолетних тестов. В планах разработчиков — усовершенствовать установку за счет применения более совершенных кристаллов и мощных лазеров. В перспективе подобные ядерные хронометры смогут превзойти существующие стандарты времени и выведут на новый уровень точность фундаментальных физических измерений.

Источник: iXBT