Вчені створили перший у світі прототип ядерного годинника

Лише кілька місяців тому був зроблений величезний прорив у розробці десятиліть, і вчені вже усвідомлюють його потенціал: вимірювання розриву між квантовими енергетичними станами ядра торію було використано для створення найпершого рудиментарного ядерного годинника.

Поєднавши атомний годинник стронцію з кристалом, що містить ядра торію, команда фізиків успішно продемонструвала основну технологію, яка приведе нас до першого повністю реалізованого та розробленого ядерного годинника. Ця віха, яку ще належить досягти, відкриє цілу нову сферу надточного вимірювання часу.

«За допомогою цього першого прототипу ми довели: торій можна використовувати як хронометр для надвисокоточних вимірювань», — пояснює фізик Торстен Струмм з Віденського технологічного університету. «Все, що залишилося зробити, — це технічний розвиток, без серйозних перешкод очікувати».

Атомний годинник покладається на дуже точне «цокання» атомів, коли вони перемикаються між енергетичними станами під впливом лазера, що визначається станами електронів, які обертаються навколо ядра в атомному ядрі. Однак цього набагато складніше досягти з самим ядром, оскільки для зміни його енергетичного стану потрібно набагато більше енергії, ніж для зміни енергетичного стану електронів.

Однак ядерний годинник дуже бажаний, оскільки він був би набагато стабільнішим і точним, ніж атомний годинник. Своєю чергою, ядерний годинник дозволить проводити точніші вимірювання фізичного Всесвіту, що має значення для всього, від навігації до пошуку темної матерії.

Раніше цього року було оголошено про вимірювання стрибка енергії – різниці між енергетичними станами – ядра торію. І це дозволило Струмму та його колегам визначити точну енергію, необхідну для створення зміни енергетичних станів, механізму, за яким цокає ядерний годинник. Наступним кроком було продемонструвати, що вони можуть створити годинник з цього цокання, і це те, що Страмм і його колеги зараз зробили.

Годинник, який вони продемонстрували, — це не повний досвід ядерного годинника, а перші кроки в цьому напрямку. Стронцієвий годинник в JILA в Національному інституті стандартів і технологій працює за допомогою інфрачервоного світла. Команда створила невеликий кристал фториду кальцію, що містить ядра торію, енергетичні стани яких перемикаються за допомогою вакуумного ультрафіолетового світла.

Щоб поєднати кристал з атомним годинником, дослідникам потрібно було знайти спосіб перетворити інфрачервоне світло на ультрафіолетове. Вони зробили це, створивши частотну гребінку інфрачервоних хвиль і пропустивши її через газ ксенон, який взаємодіє з інфрачервоним світлом, випромінюючи ультрафіолетові хвилі.

Результатом стала комбінована частотна гребінка, яка могла збуджувати перехід ядер торію та синхронізувати його з цоканням атомів стронцію.

Отримане ядерне цокання не є більш точним, ніж стронцієвий атомний годинник, але тепер, коли основна концепція була продемонстрована, фактична технологія вже на виду – і дуже близька до повної реалізації, кажуть дослідники.

«Уявіть собі наручний годинник, який не втратить жодної секунди, навіть якщо ви залишите його працювати мільярди років. Хоча ми ще не зовсім досягли цього, це дослідження наближає нас до цього рівня точності», — каже фізик Джун Є з JILA.

Команда проводила свій експеримент багато разів; щоразу вони досягали результатів, які відповідають атомному годиннику. Наступним кроком буде його доопрацювання.

«Коли ми вперше запустили перехід, ми змогли визначити частоту з точністю до кількох гігагерц. Це вже було в тисячу разів краще, ніж будь-що, відоме раніше. Однак тепер ми маємо точність у кілогерцах. діапазон – що знову ж таки в мільйон разів краще», – говорить Шумм.

«Таким чином ми очікуємо обігнати найкращі атомні годинники за 2-3 роки». Дослідження опубліковано в Nature.