Ядерные часы на тории-229: Китай приблизился к новому стандарту точного времени

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Независимо от китайской группы аналогичного результата добилась европейская команда. Оба достижения приближают учёных к созданию нового поколения часов, которые потенциально смогут превзойти существующие оптические стандарты по точности и устойчивости к внешним воздействиям.

Почему учёные обратились к атомному ядру

Современные наиболее точные оптические часы измеряют частоту электромагнитного излучения, соответствующую переходам электронов между энергетическими уровнями атомов. В ядерных оптических часах эту роль играет переход между энергетическими состояниями самого ядра.

У такого подхода есть принципиальное преимущество: ядро намного компактнее электронной оболочки и в некоторых отношениях менее чувствительно к внешним электрическим и магнитным полям. Это создаёт предпосылки для уменьшения систематических погрешностей, которые ограничивают точность существующих часов.

Однако преимущества ядерного эталона пока нельзя считать окончательно доказанными во всех практических условиях. Исследователям ещё предстоит подтвердить, насколько стабильно такие часы смогут работать в длительных экспериментах и насколько точно удастся сопоставлять их показания с другими стандартами времени.

Разработка может оказаться важной не только для фундаментальной физики. Сверхточные часы востребованы в спутниковой навигации, синхронизации телекоммуникационных сетей, геодезии и исследованиях гравитации. В перспективе они также могут помочь в навигации космических аппаратов, для которых точный учёт времени критически важен.

Лазер и дефицит редкого изотопа

Одним из главных технических препятствий стало получение непрерывного ультрафиолетового излучения с длиной волны около 148,4 нм. Именно оно необходимо для работы с низкоэнергетическим ядерным переходом тория-229. Китайская команда создала источник такого излучения на основе четырёхволнового смешения в парах кадмия. Лазер генерирует около 10 мкВт мощности, а расчётная ширина его спектральной линии составляет менее 1 Гц.

Не менее важной задачей стало изготовление кристалла с тория-229. Исследователям удалось получить миллиметровый кристалл фторида кальция, легированный этим изотопом, используя всего 1,4 мкг тория. Такой подход позволяет работать с крайне ограниченным количеством редкого материала и одновременно создавать компактную твёрдотельную основу для ядерного эталона времени.

В китайской установке частота лазера стабилизируется по ядерному переходу, а система обратной связи корректирует её отклонения. Исследователи получили относительную нестабильность частоты где τ — время усреднения в секундах. Частоты перехода, измеренные на двух независимо изготовленных кристаллах, совпали на уровне 10^-13. Это важный результат для проверки воспроизводимости будущих ядерных стандартов.

При этом называть достигнутый результат превосходством над всеми современными оптическими часами пока преждевременно. Ядерные часы находятся на ранней стадии развития, и их потенциальные преимущества ещё предстоит подтвердить в длительных измерениях и практических системах.

Что это изменит?

Пока ядерные оптические часы остаются лабораторными установками, но уже продемонстрировали возможность стабилизации частоты по ядерному переходу. В дальнейшем развитие технологии может привести к созданию более компактных и устойчивых эталонов времени, а также расширить возможности фундаментальных физических экспериментов.

Однако главный вопрос заключается в том, удастся ли превратить лабораторный прорыв в практически применимый прибор, который окажется одновременно точнее, компактнее и экономичнее существующих решений.

Станут ли ядерные часы следующим поколением стандартов времени или их преимущества так и останутся преимуществами лабораторной физики? А что об этом думаете вы?