Австрийские физики после десятилетий исследований создали первые в мире ядерные часы, способные самостоятельно поддерживать стабильность. В перспективе такие устройства смогут измерять время значительно точнее современных атомных часов.
Прототип, разработанный в Вене, в отличие от предыдущих версий не нуждается во внешнем атомном эталоне для коррекции хода. Ученые продемонстрировали, что он может непрерывно работать более 24 часов. Это ключевой шаг в метрологии – науке о точных измерениях, поскольку позволяет использовать атомные ядра как исключительно стабильный эталон.
В основе технологии лежит уникальное свойство ядра тория. Атомные ядра могут находиться в разных энергетических состояниях, но для перехода между ними обычно требуется огромная энергия. Торий – редкое исключение: два его ядерных состояния разделяет очень малый энергетический барьер. Это позволяет переключать их с помощью лазерного излучения и использовать этот сверхточный переход как эталон частоты.
Экспериментально подтвердить этот переход удалось только в апреле 2024 года группе под руководством профессора Торстена Шумма из Венского технического университета совместно с коллегами из Физико-технического института в Брауншвейге. Новая работа демонстрирует уже полностью автономную систему.
Принцип самостабилизации прост. Лазер облучает специальный кристалл с атомами тория. Ядра поглощают свет только на строго определенной частоте. Если частота лазера начинает отклоняться, например, из-за колебаний температуры, количество поглощаемого света меняется. Система обратной связи регистрирует это изменение и автоматически корректирует лазер, возвращая его к эталонной частоте.
Потенциал ядерных часов связан с фундаментальными свойствами атомных ядер. Они более чем в 10 000 раз меньше атомов и гораздо слабее подвержены внешним воздействиям, которые вносят погрешности в измерения. За сутки работы прототип показал относительную точность около 10⁻¹⁵. Это эквивалентно ошибке в одну секунду за 30 миллионов лет.
Исследователи отмечают, что это пока не уровень лучших в мире оптических атомных часов, но для первого прототипа результат превосходный. В дальнейшем команда планирует повысить точность прибора, используя более мощные лазеры и кристаллы тория более высокого качества. Развитие этой технологии не только установит новый стандарт измерения времени, но и даст ученым более чувствительные инструменты для изучения фундаментальных законов природы.
