Физики запустили первые ядерные часы на тории
Две группы физиков впервые создали работающие ядерные часы. Они измеряют время не по движению электронов, а по переходам внутри ядра атома тория-229.
МОСКВА, 23 июня. /Новости науки/. Физики из Европы и Китая создали первые ядерные часы — новый тип сверхточного устройства для измерения времени, сообщил журнал Nature со ссылкой на два препринта на arXiv.
Современные атомные часы считают время по переходам электронов между энергетическими уровнями атома. Ядерные часы работают иначе. В них «тик» задает переход внутри атомного ядра, где меняют состояние протоны и нейтроны.
Для такой схемы подходит торий-229. У большинства атомных ядер энергетические уровни разделены слишком сильно, и перевести ядро в другое состояние обычным лазером нельзя. У тория-229 есть редкий низкоэнергетический переход. Его можно вызвать ультрафиолетовым лазерным светом.
Идею таких часов обсуждали десятилетиями. Главная трудность была в том, чтобы не просто вызвать переход в ядре, а заставить систему стабильно работать как часы. Для этого нужно было «привязать» частоту лазера к естественному ядерному переходу и постоянно исправлять ее отклонения.
Обе группы решили эту задачу через поглощение света атомами тория-229. Когда лазер попадал в нужную частоту, ядра поглощали фотоны, и сигнал ослабевал. Если частота начинала уходить, сигнал снова рос. По этому изменению система могла быстро корректировать лазер.
Европейская группа под руководством Торстена Шумма использовала миллиметровый кристалл фторида кальция с ядрами тория-229. Исследователи стабилизировали непрерывный лазер на ядерном переходе с длиной волны около 148 нанометров и сравнивали сигнал с ионными атомными часами на ионе иттербия.
Китайская группа под руководством Шицяня Дина из Университета Цинхуа применила более мощный лазер, но использовала кристалл с меньшей концентрацией тория-229. В итоге сигналы у двух установок оказались сопоставимыми.
Пока ядерные часы не превосходят лучшие атомные часы по точности. Но у них есть важное преимущество: ядро атома слабее реагирует на внешние возмущения, чем электронная оболочка. Поэтому такие устройства могут стать более устойчивыми, компактными и удобными для работы вне лаборатории.
Ядерные часы также нужны не только для точного времени. Они дают новый способ искать следы «новой физики»: например, возможные изменения фундаментальных констант, влияние сверхлегкой темной материи или неизвестные взаимодействия внутри атомного ядра.
Авторы европейской работы уже использовали свою систему для поиска периодических колебаний и медленного дрейфа энергии ядерного перехода на временных масштабах от 20 секунд до одних суток.
Современные атомные часы считают время по переходам электронов между энергетическими уровнями атома. Ядерные часы работают иначе. В них «тик» задает переход внутри атомного ядра, где меняют состояние протоны и нейтроны.
Для такой схемы подходит торий-229. У большинства атомных ядер энергетические уровни разделены слишком сильно, и перевести ядро в другое состояние обычным лазером нельзя. У тория-229 есть редкий низкоэнергетический переход. Его можно вызвать ультрафиолетовым лазерным светом.
Идею таких часов обсуждали десятилетиями. Главная трудность была в том, чтобы не просто вызвать переход в ядре, а заставить систему стабильно работать как часы. Для этого нужно было «привязать» частоту лазера к естественному ядерному переходу и постоянно исправлять ее отклонения.
Обе группы решили эту задачу через поглощение света атомами тория-229. Когда лазер попадал в нужную частоту, ядра поглощали фотоны, и сигнал ослабевал. Если частота начинала уходить, сигнал снова рос. По этому изменению система могла быстро корректировать лазер.
Европейская группа под руководством Торстена Шумма использовала миллиметровый кристалл фторида кальция с ядрами тория-229. Исследователи стабилизировали непрерывный лазер на ядерном переходе с длиной волны около 148 нанометров и сравнивали сигнал с ионными атомными часами на ионе иттербия.
Китайская группа под руководством Шицяня Дина из Университета Цинхуа применила более мощный лазер, но использовала кристалл с меньшей концентрацией тория-229. В итоге сигналы у двух установок оказались сопоставимыми.
Пока ядерные часы не превосходят лучшие атомные часы по точности. Но у них есть важное преимущество: ядро атома слабее реагирует на внешние возмущения, чем электронная оболочка. Поэтому такие устройства могут стать более устойчивыми, компактными и удобными для работы вне лаборатории.
Ядерные часы также нужны не только для точного времени. Они дают новый способ искать следы «новой физики»: например, возможные изменения фундаментальных констант, влияние сверхлегкой темной материи или неизвестные взаимодействия внутри атомного ядра.
Авторы европейской работы уже использовали свою систему для поиска периодических колебаний и медленного дрейфа энергии ядерного перехода на временных масштабах от 20 секунд до одних суток.
