Торій допоможе вченим вимірювати час точніше

Вчені зробили важливий крок до розробки ядерного годинника — пристрою, який вимірює час, фіксуючи енергетичні зміни в ядрі атома, «тики». Ядерний годинник обіцяє бути точнішим і стабільнішим за атомний. Атомний годинник працює на основі лазерів, чия частота випромінювання точно відповідає енергії, необхідної для переходу електронів між рівнями всередині атома. Цей годинник втрачає або додає всього одну.

Вчені зробили важливий крок до розробки ядерного годинника — пристрою, який вимірює час, фіксуючи енергетичні зміни в ядрі атома, «тики».

Ядерний годинник обіцяє бути точнішим і стабільнішим за атомний. Атомний годинник працює на основі лазерів, чия частота випромінювання точно відповідає енергії, необхідної для переходу електронів між рівнями всередині атома. Цей годинник втрачає або додає всього одну секунду за 40 мільярдів років.

Ядерний же годинник фіксує переходи всередині ядра — серед протонів і нейтронів, що може зробити його ще точнішим. Частинки в ядрі менш чутливі до зовнішніх впливів, наприклад електромагнітних полів.

Для створення ядерного годинника з більшості речовин потрібно рентгенівське випромінювання з надзвичайно високою енергією. Тому вчені зосередилися на торії-229: його ядерний перехід вимагає ультрафіолетового світла зі значно нижчою енергією.

Дослідницька група використовувала вбудовані кристали CaF₂ атоми торію-229. Вчені застосували частотний гребінь — оптичний пристрій, який з високою точністю підраховує кількість циклів випромінювання, що викликають тик. У роботі, опублікованій у журналі Nature, вчені вперше зафіксували перехід атомів торію-229 у збуджений стан і змогли розрахувати частоту, що викликала цей сигнал.

Точність виміру перевищила попередні результати у 100 тисяч разів. Крім того, дослідники вперше прямо порівняли підібрану ультрафіолетову частоту з оптичною частотою одного з найточніших атомних годинників у світі, заснованих на стронції. Це стало першою прямою сполучною ланкою між ядерним переходом і атомним годинником.

Ядерний годинник може стати набагато точнішим за існуючі атомні, які вже відіграють ключову роль у роботі навігаційних систем, інтернету, забезпеченні надійності мережевих з’єднань та безпеки цифрових комунікацій. Якщо частота «тіка» зміниться з часом, це може вказувати на зміни у фундаментальних силах, що утримують ядро. Така чутливість допоможе вченим виявити вплив темної матерії на речовину.

До того як ядерний годинник перевершить атомний за точністю, доведеться провести ще багато досліджень. Вчені будуть верифікувати точність та оптимізувати лазерні системи. Хоча описане технічне рішення ще не можна назвати повноцінним ядерним годинником, воно вже містить усі основні технології для їх створення.