Физики создали первые ядерные часы на основе тория

Ученые из Венского технического университета под руководством Торстена Шумма впервые создали действующие ядерные часы, в которых для измерения времени используются колебания атомного ядра тория. Разработка завершилась после двух десятилетий теоретических и экспериментальных исследований в этой области.

Новое устройство представляет собой торий, помещенный в кристалл из фторида кальция, на который направляется ультрафиолетовый лазер. Прибор работает по принципу системы обратной связи: лазер попеременно переключается между двумя частотами, расположенными выше и ниже известной ядерной частоты тория. Если элемент равномерно поглощает обе частоты, устройство считается настроенным правильно. В противном случае система использует полученную информацию для корректировки лазера.

Главное преимущество ядерных часов перед существующими атомными системами заключается в фундаментальных физических свойствах. Атомные ядра обладают значительно большей энергией, чем электроны, и требуют более точного возбуждения. Это позволяет ядерным часам сохранять стабильность в течение сотен миллиардов лет. В качестве рабочего элемента был выбран торий, поскольку его ядро можно возбудить с помощью относительно небольшого количества энергии, чего невозможно добиться при использовании большинства других ядер даже с помощью самых мощных лазеров.

Созданный прототип демонстрирует впечатляющую стабильность. Устройство проработало без перерыва в течение суток, не требуя вмешательства пользователя, чего ранее не удавалось добиться при разработке других оптических часов. При этом текущая точность составляет десятки секунд на миллиард лет, что значительно ниже показателей лучших современных атомных часов. Однако исследователи рассчитывают повысить точность на несколько порядков за счет внедрения более совершенных лазеров и электроники.

Важнейшим отличием ядерных часов является их конструктивная простота. В отличие от атомных часов, это устройство работает при комнатной температуре и не требует охлаждения до сверхнизких температур или размещения атомов в вакууме. Это упрощает процесс миниатюризации и открывает перспективы применения в различных экспериментах, в том числе для проверки теории относительности на спутниках.

Кроме того, благодаря защите ядра слоем электронов от внешних электромагнитных воздействий система обладает повышенной чувствительностью к внешним физическим факторам. Исследователи использовали эту особенность для поиска частиц темной материи. Если темная материя представляет собой электромагнитную силу, пронизывающую Вселенную, она должна влиять на ядерные энергетические переходы, что приведет к регистрируемому изменению рабочей частоты часов.

Источник: New Scientist Ltd.