В прошлом году физики из Калифорнийского университета в Лос–Анджелесе (UCLA) достигли цели, к которой наука шла полвека: они заставили радиоактивные ядра тория контролируемо поглощать и испускать свет, подобно электронам в атоме. Это открытие открыло путь к созданию нового поколения сверхточных часов, способных кардинально улучшить системы навигации и даже помочь в проверке фундаментальных констант Вселенной. Однако оставалось серьезное ограничение – для таких часов необходим редкий изотоп торий–229, который получают из оружейного урана. По оценкам ученых, для исследований во всем мире доступно всего около 40 граммов этого вещества.
Теперь международная группа исследователей под руководством физика из UCLA Эрика Хадсона нашла способ обойти эту проблему. Ученые разработали простой и недорогой метод, позволяющий достичь тех же результатов, но с использованием в тысячу раз меньшего количества тория. Новая технология, описанная в журнале Nature, может сделать ядерные часы достаточно компактными и доступными для массового применения – от энергосетей и вышек сотовой связи до спутников GPS, смартфонов и даже наручных часов.
Предыдущий успех команды был основан на использовании специально выращенных кристаллов фторида с добавлением тория. Этот процесс занимал годы и требовал значительного количества редкого изотопа. «Мы проделывали всю эту работу по созданию кристаллов, потому что считали, что они должны быть прозрачными для лазерного света, – объясняет один из авторов исследования Рики Элвелл. – Их производство – невероятно сложная задача. Минимальное количество тория, которое мы могли использовать, составляло 1 миллиграмм, а это очень много, когда в мире доступно всего около 40 граммов».
В новом исследовании ученые пошли иным путем, позаимствовав технологию из ювелирного дела. Они нанесли тончайший слой тория на пластину из нержавеющей стали с помощью гальванопокрытия – метода, известного с начала XIX века. Этот процесс использует электрический ток для осаждения атомов одного металла на поверхность другого. «Нам потребовалось пять лет, чтобы понять, как выращивать кристаллы фторида, а теперь мы выяснили, как получить те же результаты с помощью одной из старейших промышленных техник, используя в 1000 раз меньше тория. К тому же конечный продукт – это, по сути, небольшой кусок стали, гораздо более прочный, чем хрупкие кристаллы», – говорит Хадсон.
Успех стал возможен благодаря переосмыслению самого процесса ядерного возбуждения. Ранее считалось, что торий необходимо помещать в прозрачный материал, чтобы лазерный луч мог достичь ядра. Команда Хадсона доказала, что это предположение неверно. Оказалось, можно направить достаточно света на непрозрачный материал, чтобы возбудить ядра у его поверхности. Вместо фотонов, как в прозрачных кристаллах, они испускают электроны, которые легко обнаружить, просто измеряя электрический ток, что является одной из простейших задач в лаборатории.
Помимо улучшения сетей связи и синхронизации энергосистем, сверхточные часы решают важнейшую проблему национальной безопасности – навигацию без GPS. Ядерные часы менее чувствительны к внешним воздействиям, что делает их идеальными для подводных лодок, которым больше не придется регулярно всплывать для коррекции курса. «Подход команды UCLA может помочь снизить стоимость и сложность будущих ядерных часов на основе тория», – отмечает Макан Мохагег, ведущий специалист по оптическим часам в Boeing. По его словам, такие инновации актуальны для множества аэрокосмических приложений.
Более точное время необходимо и для освоения дальнего космоса. Эрик Берт из Лаборатории реактивного движения NASA, не участвовавший в исследовании, считает, что ядерные часы на основе тория могут «совершить революцию в фундаментальных физических измерениях, таких как проверка общей теории относительности Эйнштейна». Благодаря своей стабильности, они могут стать основой для единой шкалы времени в Солнечной системе, что необходимо для создания постоянных баз на других планетах.
