Физики Венского технического университета (TU Wien) создали первый автономно стабилизирующийся ядерный хронометр. В отличие от обычных атомных часов, которые используют переходы электронов между энергетическими состояниями, новая система опирается на процессы внутри атомных ядер тория. В испытаниях прототип проработал более суток без вмешательства извне и продемонстрировал относительную точность порядка (10^{-15}). Пока он уступает лучшим оптическим атомным часам, но исследователи считают, что у ядерной технологии есть потенциал для дальнейшего повышения точности.

Почему для часов выбрали торий

Современные атомные часы измеряют время с помощью чрезвычайно стабильной частоты электромагнитного излучения, связанного с переходами электронов между энергетическими состояниями атомов. Однако внешние воздействия, в том числе температурные колебания, могут влиять на работу оборудования и создавать помехи.

Ядерные часы используют другой физический процесс — переходы между энергетическими состояниями атомного ядра. Ядра значительно меньше атомов и в принципе слабее подвержены некоторым внешним воздействиям, которые мешают точным измерениям.

Долгое время реализовать такую систему было трудно: переходы между ядерными энергетическими состояниями обычно требуют гораздо больше энергии, чем могут обеспечить обычные лазеры. Торий-229 оказался редким исключением. У него есть два ядерных состояния с необычно малой разницей энергий, поэтому переход между ними можно вызвать лазерным излучением.

В апреле 2024 года группа под руководством профессора Торстена Шумма из TU Wien совместно с исследователями под руководством Эккехарда Пайка из немецкого Федерального физико-технического института (PTB) экспериментально подтвердила существование этого перехода. Ученые впервые смогли возбуждать ядра тория с помощью лазера.

Позднее в 2024 году они связали установку с обычными оптическими атомными часами и показали, что ядерный переход можно использовать как высокоточный эталон. Но оставалась важная задача: научиться стабилизировать систему без постоянной опоры на обычные атомные часы.

Как часы поддерживают собственную точность

В новой установке лазер направлен на специальный кристалл, содержащий атомы тория. Частота лазерного излучения служит основой для отсчета времени, но она может немного изменяться под воздействием окружающей среды.

Чтобы компенсировать такие отклонения, исследователи использовали сами ядра тория в качестве системы обратной связи.

Ядра поглощают лазерное излучение, когда его частота соответствует нужному энергетическому переходу. Если частота лазера начинает отклоняться, поглощение уменьшается. Система регистрирует это изменение и автоматически корректирует частоту, возвращая ее к нужному значению.

Таким образом, ядерный переход не просто задает эталон для измерений, но и помогает поддерживать стабильность самого лазера. Впервые исследователям удалось продемонстрировать такую саморегулирующуюся систему, способную работать без обычных атомных часов в качестве внешнего эталона.

Одна секунда за 30 миллионов лет — пока в пересчете

Во время испытаний, продолжавшихся около суток, прототип показал относительную точность порядка (10^{-15}). Это соответствует условной погрешности примерно в одну секунду за 30 миллионов лет.

Важно понимать, что ученые не наблюдали работу устройства в течение миллионов лет. Это пересчет измеренной относительной точности на длительный промежуток времени, а не подтвержденный срок накопления ошибки.

Кроме того, новый прибор пока не превзошел лучшие оптические атомные часы, которые остаются эталоном высокоточного измерения времени. Руководитель исследования Торстен Шумм назвал результат отличным для первого прототипа, но подчеркнул, что до рекордных показателей существующих систем еще предстоит добраться.

Зачем нужны часы нового поколения

Ученые рассчитывают повысить точность установки с помощью более мощных лазеров и кристаллов тория более высокого качества. Если эти усовершенствования оправдают ожидания, ядерные часы в перспективе смогут превзойти существующие атомные системы.

Практическая ценность таких разработок не ограничивается более точным измерением времени. Высокоточные часы помогают измерять и другие физические величины, а также проверять фундаментальные теории. Еще более стабильный эталон может дать ученым новые возможности для изучения свойств природы и поиска крайне малых изменений физических параметров.

Пока работа команды из Вены подтверждает главное: ядерные часы перешли от экспериментальной демонстрации отдельного перехода к автономно стабилизируемой системе. До появления устройств, способных заменить лучшие атомные часы в практических задачах, еще далеко, но принципиальная возможность такого перехода уже показана.