Первые в мире ядерные часы заработали: чем они отличаются от атомных

Как работают ядерные часы и чем они отличаются от атомных

Прототипы устройств проработали более суток с погрешностью, соответствующей отклонению всего в одну секунду за 30 миллионов лет. Соперничать с ними по точности могут разве что атомные часы, которые специалисты уже используют в спутниковой навигации, пишет n-tv.de.

В основе атомных и ядерных часов лежит схожий принцип: луч лазера переводит атом на более высокий энергетический уровень. В обычных атомных часах этот квантовый скачок совершает электрон в оболочке атома, тогда как в ядерных – непосредственно атомное ядро. Поскольку ядро намного тяжелее электрона и защищено электронной оболочкой, оно гораздо меньше реагирует на внешние факторы, такие как колебания температуры.

Для возбуждения большинства атомных ядер физикам требуются высокоэнергетические рентгеновские или гамма-лучи. Однако ядро изотопа тория-229 составляет исключение, ведь для его возбуждения достаточно ультрафиолетового лазера. Еще в 2003 году ученый Эккегард Пейк предложил создать такое устройство. Для возбуждения атомного ядра энергию лазера необходимо настроить с точностью до миллионной доли электронвольта.

Сложности разработки и роль автоматической обратной связи

Ученые потратили два десятилетия, чтобы точно измерить энергию квантового скачка и реализовать технический принцип в лаборатории. Самым большим препятствием оставалось явление дрейфа, когда частота лазера время от времени меняется из-за колебаний температуры.

Чтобы решить эту проблему, физики создали систему автоматической обратной связи. Второй лазер постоянно проверяет, происходит ли возбуждение ядра, и при необходимости автоматически корректирует первый лазер. Благодаря этому луч приобретает стабильную энергию и частоту, а его колебания выполняют роль своеобразного маятника.

Физики из Венского технического университета под руководством Пейка и Торстена Шумма, а также команда исследователей из Китая запустили стабильные прототипы. Обе группы использовали кристаллы флюорита с вкрапленными атомами тория-229. Флюорит остается прозрачным для лазерного луча и надежно удерживает атомы на месте.

Перспективы и планы ученых

В настоящее время мировой рекорд точности принадлежит атомным часам на основе лютеция, созданным учеными из Университета Сингапура. Их устройство покажет отклонение в одну секунду лишь через 55 миллиардов лет, несмотря на то, что возраст нашей Вселенной составляет всего 13,8 миллиарда лет. Однако ядерные часы способны превзойти этот показатель еще в 10 раз.

Хотя точность [существующих ядерных часов] пока не достигает уровня лучших в мире атомных часов, для прототипа это фантастический результат,
– заявил Торстен Шумм из Венского технического университета.

Теперь исследователи планируют совершенствовать лазеры и повышать чистоту кристаллов, чтобы постепенно наращивать точность. В долгосрочной перспективе физики стремятся превратить громоздкие лабораторные установки в компактные ядерные часы для практического использования.