Вчені створили перший у світі прототип ядерного годинника

Усього кілька місяців тому було здійснено величезний прорив, який готувався десятиліттями, і вже зараз вчені усвідомлюють його потенціал: вимірювання зазору між квантовими енергетичними станами ядра торію було використано для створення найперших рудиментарних ядерних годинників.

Поєднавши стронцієвий атомний годинник з кристалом, що містить ядра торію, група фізиків успішно продемонструвала основну технологію, яка приведе нас до перших повністю реалізованих і розроблених ядерних годинників.

Ця віха - яку ще належить пройти - відкриє нову сферу надточного хронометражу.

«За допомогою цього першого прототипу ми довели: торій можна використовувати як хронометр для надточних вимірювань, — пояснює фізик Торстен Штрумм з Віденського технологічного університету. — Залишилося лише провести технічне доопрацювання, і більше жодних серйозних перешкод не передбачається».

Атомний годинник - це годинник, який покладається на дуже точне «тикання» атомів, коли вони перемикаються між енергетичними станами під впливом лазера, що визначається станом електронів, які обертаються навколо ядра в атомному ядрі.

Однак із самим ядром цього досягти набагато складніше, оскільки для зміни його енергетичного стану потрібно набагато більше енергії, ніж для зміни енергетичного стану електронів.

При цьому очікується, що ядерний годинник буде набагато стабільнішим і точнішим за атомний. У свою чергу, ядерний годинник дозволив би проводити більш точні виміри фізичного Всесвіту, що має значення для всього: від навігації до пошуку темної матерії.

На початку цього року було оголошено про вимір енергетичного стрибка — різниці між енергетичними станами — ядра торію. Це дозволило Штрумму та його колегам визначити точну енергію, необхідну для створення зміни енергетичних станів — механізму, на якому цокатиме ядерний годинник.

Наступним кроком було продемонструвати, що вони можуть створити годинник на основі цього цокання, що і зробили Штрумм та його колеги.

Продемонстрований ним годинник не є повноцінним ядерним годинником, але це перші кроки в цьому напрямку. Стронцієвий годинник у JILA при Національному інституті стандартів та технологій працює за допомогою інфрачервоного світла.

Команда створила невеликий кристал фториду кальцію, що містить ядра торію, енергетичні стани яких перемикаються за допомогою вакуумного ультрафіолетового випромінювання.

Щоб з'єднати кристал з атомним годинником, дослідникам потрібно було знайти спосіб перетворити інфрачервоне світло на ультрафіолетовий. Для цього вони створили частотну гребінку інфрачервоних хвиль і пропустили через газ ксенон, який, взаємодіючи з інфрачервоним світлом, випромінює ультрафіолетові хвилі.

В результаті вийшла комбінована частотна гребінка, яка могла збуджувати перехід ядер торію та синхронізувати його з цоканням атомів стронцію.

Ядерне цокання, що вийшло, не точніше, ніж атомний годинник зі стронцієм, але тепер, коли основна концепція продемонстрована, реальна технологія знаходиться в полі зору — і дуже близька до повної реалізації, кажуть дослідники.

«Уявіть собі наручний годинник, який не втратить жодної секунди, навіть якщо ви залишите його працювати на мільярди років. Хоча ми ще не дійшли до цього, це дослідження наближає нас до такого рівня точності», - каже фізик Цзюнь Йе з JILA.