Як працює ядерний годинник та чим він відрізняється від атомного
Прототипи пристроїв пропрацювали понад добу з похибкою, яка відповідає відхиленню лише на одну секунду за 30 мільйонів років. Змагатися з цим за точністю можуть хіба що атомні годинники, які фахівці вже використовують у супутниковій навігації, пише n-tv.de.
В основі атомних і ядерних годинників лежить схожий принцип: промінь лазера переводить атом на вищий енергетичний рівень. У звичайному атомному годиннику цей квантовий стрибок здійснює електрон в оболонці атома, тоді як у ядерному – безпосередньо атомне ядро. Оскільки ядро набагато важче за електрон та захищене електронною оболонкою, воно значно менше реагує на зовнішні чинники, такі як коливання температури.
Для збудження більшості атомних ядер фізики потребують високоенергетичних рентгенівських або гамма-променів. Проте ядро ізотопу торій-229 становить виняток, адже для його збудження достатньо ультрафіолетового лазера. Ще у 2003 році науковець Еккегард Пейк запропонував створити такий пристрій. Для досягнення збудження атомного ядра енергію лазера потрібно налаштувати з точністю до мільйонної частки електронвольта.
Виклики розробки та роль автоматичного зворотного зв'язку
Науковці витратили два десятиліття, щоб точно виміряти енергію квантового стрибка та реалізувати технічний принцип у лабораторії. Найбільшою перешкодою залишалося явище дрейфу, коли частота лазера час від часу змінюється через коливання температури.
Щоб вирішити цю проблему, фізики створили систему автоматичного зворотного зв'язку. Другий лазер постійно перевіряє, чи відбувається збудження ядра, і в разі потреби автоматично коригує перший лазер. Завдяки цьому промінь отримує стабільну енергію та частоту, а його коливання виконують роль своєрідного маятника.
Фізики з Віденського технічного університету під керівництвом Пейка та Торстена Шумма, а також команда дослідників із Китаю запустили стабільні прототипи. Обидві групи використали кристали флюориту зі вкрапленими атомами торію-229. Флюорит залишається прозорим для лазерного променя та надійно утримує атоми на місці.
Перспективи та плани науковців
Наразі світовий рекорд точності належить атомному годиннику на основі лютецію, який створили науковці з Університету Сингапуру. Їхній пристрій покаже відхилення в одну секунду лише через 55 мільярдів років, попри те, що вік нашого Всесвіту становить лише 13,8 мільярда років. Проте ядерні годинники мають потенціал перевершити цей показник ще в 10 разів.
Хоча точність [поточних ядерних годинників] поки не досягає рівня найкращих у світі атомних годинників, для прототипу це фантастичний результат,
– заявив Торстен Шумм з Віденського технічного університету.
Тепер дослідники планують удосконалювати лазери та підвищувати чистоту кристалів, щоб поступово нарощувати точність. У довгостроковій перспективі фізики прагнуть перетворити громіздкі лабораторні установки на компактні ядерні годинники для практичного використання.