Физики создали ядерные часы с беспрецедентной стабильностью. Они могут изменить само время!

Исследователи из института JILA впервые создали ядерные часы на основе тория-229, которые обладают беспрецедентной стабильностью по сравнению с атомными часами. Встроив торий в полупроводниковый кристалл, они обнаружили ядерный переход, в значительной степени устойчивый к изменениям температуры, что крайне важно для точного хронометража. Их работа может не только переосмыслить хронометраж, но и открыть двери для обнаружения новой физики.

В течение десятилетий атомные часы устанавливали стандарт точного хронометража, играя решающую роль в GPS-навигации, физических исследованиях и фундаментальных научных испытаниях. Теперь исследователи из института физических наук в США JILA под руководством профессора физики Цзюня Йе в сотрудничестве с Техническим университетом Вены изучают еще более стабильную альтернативу: ядерные часы.

В отличие от атомных часов, которые полагаются на электронные переходы, эти новые часы основаны на низкоэнергетическом переходе внутри ядра атома тория-229. Поскольку ядерные переходы меньше подвержены влиянию внешних факторов, часы на основе тория могут обеспечить беспрецедентную стабильность и использоваться для проверки физики за пределами Стандартной модели.

Лаборатория Йе годами исследовала ядерные часы. Их знаменательный эксперимент, опубликованный в качестве статьи на обложке журнала Nature в прошлом году, обеспечил первое измерение ядерного перехода тория-229 на основе частоты с разрешением квантового состояния в специально разработанном кристалле. Это подтвердило, что переход можно измерить с достаточной точностью, чтобы он мог служить надежным эталоном времени.

Чтобы разработать практические ядерные часы, ученым необходимо понять, как внешние факторы, особенно температура, влияют на ядерный переход. В новом исследовании, отмеченном как «Выбор редактора» в Physical Review Letters, команда проанализировала, как энергетические уровни ядер тория смещаются при нагревании кристалла до разных температур. Это исследование является важным шагом на пути к созданию сверхстабильных ядерных часов.

«Это первый шаг к характеристике систематики ядерных часов, — говорит научный сотрудник JILA доктор Джейкоб Хиггинс, первый автор исследования. — Мы обнаружили переход, который относительно нечувствителен к температуре, а это именно то, что нам нужно для точного устройства для измерения времени».

Цзюнь заявляет, что твердотельные ядерные часы имеют большой потенциал, чтобы стать надежным и портативным устройством времени, которое отличается высокой точностью. «Мы ищем пространство параметров для компактных ядерных часов, чтобы поддерживать стабильность частоты на уровне 10-18 для непрерывной работы», — добавил он.

Поскольку ядро ​​атома меньше подвержено возмущениям окружающей среды, чем его электроны, ядерные часы могут сохранять точность в условиях, когда атомные часы будут давать сбои, поскольку часы более устойчивы к шуму. Среди всех других ядер торий-229 особенно хорошо подходит для этого, поскольку он имеет ядерный переход с необычно низкой энергией, что позволяет проводить зондирование ультрафиолетовым лазерным светом, а не гамма-лучами высокой энергии.

В отличие от измерения тория в системе захваченных ионов, лаборатория Йе применила другой подход: встраивание тория-229 в твердотельный носитель — кристалл фторида кальция (CaF₂). Этот метод, разработанный их коллегами из Технического университета Вены, позволяет получить гораздо более высокую плотность ядер тория, чем традиционные методы ионных ловушек. Больше ядер означает более сильные сигналы и лучшую стабильность для измерения ядерного перехода.

Чтобы посмотреть, как температура влияет на этот ядерный переход, исследователи охлаждали и нагревали кристалл, легированный торием, до трех разных температур:

• -123°C с жидким азотом;
• -44°C со смесью сухого льда;
• метанола около комнатной температуры.

Используя лазер с частотной гребенкой, они измерили, как частота ядерного перехода смещалась при каждой температуре, выявив два конкурирующих физических эффекта внутри кристалла.

В одном случае, когда кристалл нагревался, он расширялся, слегка изменяя атомную решетку и сдвигая градиенты электрического поля, испытываемые ядрами тория. Этот градиент электрического поля приводил к расщеплению перехода тория на несколько спектральных линий, которые смещались в разных направлениях по мере изменения температуры.

Вторым эффектом является то, что расширение решетки также изменяло плотность заряда электронов в кристалле, изменяя силу взаимодействия электронов с ядром и заставляя спектральные линии двигаться в одном направлении.

Поскольку эти два эффекта боролись за контроль над атомами тория, один конкретный переход оказался гораздо менее чувствительным к температуре, чем другие, поскольку два эффекта в основном компенсировали друг друга. Во всем исследованном диапазоне температур этот переход сместился всего на 62 килогерца, что по меньшей мере в 30 раз меньше, чем в других переходах.

«Этот переход ведет себя очень многообещающе для часовых приложений, — добавляет Чуанкунь Чжан, аспирант JILA. — Если мы сможем стабилизировать его еще больше, это может стать настоящим прорывом в области точного измерения времени».

В качестве следующего шага команда планирует найти температурную «золотую середину», где ядерный переход остается практически полностью независимым от температуры. Их первоначальные данные показывают, что где-то между -123 °C и -44°C частота перехода будет еще легче стабилизироваться температурой, что обеспечивает идеальные условия работы для будущих ядерных часов.

Настройка системы ядерных часов

Создание совершенно нового типа часов требует уникального оборудования, большая часть которого не существует на требуемом уровне настройки. Благодаря инструментальному цеху JILA с его машинистами и инженерами, команда смогла создать критически важные компоненты для своего эксперимента.

«Ким Хаган и весь инструментальный цех были очень полезны в ходе этого процесса, — отмечает Хиггинс. — Они изготовили крепление кристалла, которое удерживает легированный торием кристалл, и построили части системы холодной ловушки, которая позволила нам точно контролировать температуру».

Наличие собственного опыта в области механической обработки позволило исследователям быстро вносить изменения в конструкцию и гарантировать, что даже небольшие изменения, такие как замена кристалла, можно будет легко внести.

«Если бы мы использовали только готовые детали, у нас не было бы такого же уровня уверенности в нашей установке. Изготовленные на заказ детали из инструментального цеха экономят нам так много времени», — добавляет член команды аспирант JILA Тиан Уи.

Хотя основная цель этого исследования — разработать более стабильные ядерные часы, его последствия выходят за рамки хронометража. Ядерный переход тория очень нечувствителен к возмущениям в его среде, но очень чувствителен к изменениям фундаментальных сил — любой неожиданный сдвиг в его частоте может указывать на новую физику, например, на присутствие темной материи.

«Чувствительность ядерного перехода может позволить нам исследовать новую физику, — объясняет Хиггинс. — Помимо простого создания лучших часов, это может открыть двери к совершенно новым способам изучения Вселенной».

Десятилетиями ученые считали, что свинец-208 «вдвойне магическое» и очень стабильное атомное ядро, имеет идеально сферическую форму. Однако новаторское исследование ранее разрушило это предположение, показав, что его ядро ​​на самом деле вытянуто, как мяч для регби.