Учёные разработали инновационные ядерные часы с использованием тория-229

Две независимые группы из Китая и Европы открыли путь к сверхточным часам нового класса и новым тестам фундаментальной физики

Две независимые исследовательские команды сообщили о достижении одной из основных целей современной физики — создании функционирующих ядерных часов. Эти разработки были осуществлены группами Бэйчэня Хуана (Beichen Huang) из Университета Цинхуа (Китай) и Лука Тоскани де Коля (Luca Toscani De Col) из Венского центра квантовой науки и технологий (Австрия).

В отличие от традиционных атомных часов, которые измеряют время на основе частот переходов электронов между энергетическими уровнями атома, в новых исследованиях часы используют переходы внутри самого атомного ядра — между энергетическими состояниями протонов и нейтронов. Теоретически это делает их значительно более устойчивыми к внешним воздействиям, так как ядро лучше защищено от электрических и магнитных полей, чем электронные оболочки.

Ключевым физическим объектом для создания ядерных часов стал изотоп тория-229. Его уникальность заключается в том, что энергетический переход в ядре имеет необычно низкую энергию для ядерных процессов и может быть вызван лазерным излучением. Для подавляющего большинства других ядер это невозможно из-за гораздо более высоких энергетических уровней.

Основной технической проблемой, которая до сих пор сдерживала разработку таких часов, остается необходимость работы в диапазоне спектра с длиной волны порядка 148 нанометров, где генерация и стабильное управление лазерным излучением крайне затруднены.

Обе группы преодолели это ограничение, применяя кристаллы фторида кальция (CaF2), в которые были внедрены ядра тория-229, и облучая их узким непрерывным лазером в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне. При этом подходы отличались: китайская группа использовала более мощный лазерный источник, тогда как европейская — кристалл с более высокой концентрацией ядер тория.

Для проверки работоспособности систем исследователи использовали различные методы верификации. Команда Хуана продемонстрировала стабилизацию частоты вакуумного ультрафиолетового лазера, «привязанного» к ядерному переходу. Достигнутая стабильность составила около одной части на 10 триллионов за сутки работы, что сопоставимо с лучшими современными атомными часами.

Группа Тоскани де Коля применяла свою систему для поиска возможных сигналов ультралёгкой тёмной материи — гипотетических частиц, которые могут составлять значительную часть массы Вселенной. В рамках эксперимента исследовались возможные периодические изменения в энергии ядерного перехода тория-229. Хотя сигнал тёмной материи не был обнаружен, достигнутая чувствительность оказалась на уровне или выше лучших атомных часов.

В совокупности результаты обоих исследований показывают, что ядерные часы переходят из теоретической концепции в экспериментально реализуемую технологию. Помимо сверхточного измерения времени, такие системы могут стать инструментом для проверки фундаментальных констант физики и поиска новых эффектов, выходящих за пределы Стандартной модели.

В будущем авторы обеих работ подчеркивают возможность миниатюризации технологии и создания компактных ядерных часов. Потенциальные области применения включают навигационные системы нового поколения, высокоточные гравитационные измерения и фундаментальные тесты физики, недоступные существующим атомным стандартам времени.