Ядерные часы переносят атомное время внутрь атома
Более семидесяти лет самые точные часы в мире отсчитывают время, наблюдая за перескоками электронов между энергетическими уровнями в атомах. Теперь физики продвинули тот же трюк на один уровень глубже — в само ядро. Две исследовательские группы, одну из которых возглавляют ученые из Университета Цинхуа в Китае, а другая объединяет несколько европейских стран, сообщили в журнале Nature, что каждая из них построила ядерные часы на тории-229, работающие в стабильном самокорректирующемся цикле. Это первый случай, когда рабочий эталон времени основан на энергетических уровнях внутри атомного ядра, а не в окружающем его электронном облаке. Торстен Шумм, физик-атомщик из Венского технического университета в Австрии и ведущий участник европейской группы, назвал достижение сбывшейся мечтой, отметив, что еще недавно эта область была тихой нишей.
Привлекательность тория-229 объясняется особенностью ядерной физики. Большинству атомных ядер для перехода между состояниями требуется огромная энергия, что делает их недоступными для обычных лазеров. У тория-229 есть необычно низко расположенное возбужденное состояние, до которого можно добраться светом в ультрафиолетовом диапазоне. Это позволяет управлять переходом с помощью лазера и считывать «тиканье» так же, как работают оптические атомные часы.
Ядро гораздо меньше атома и гораздо лучше защищено от внешнего мира, поэтому ядерные часы должны меньше возмущаться паразитными электрическими и магнитными полями и колебаниями температуры. Исследователи ожидают, что это выльется в большую стабильность и, в конечном итоге, в лучшую точность, чем у сегодняшних лучших оптических часов, которые иначе отставали бы менее чем на секунду за весь возраст Вселенной.
Оба результата появились почти одновременно и разными техническими путями, что само по себе показательно. Конкурирующие группы, сходящиеся к одной и той же вехе, говорят о том, что сложные инженерные проблемы — поиск нужной длины волны лазера, ее привязка к переходу и поддержание стабильной работы всей системы — теперь решаются, а не просто теоретизируются. Китайская и европейская группы каждая продемонстрировали замкнутый цикл, означающий, что часы могут непрерывно корректировать себя, а не полагаться на периодические измерения.
Почему все это важно за пределами метрологической лаборатории? Более точные часы улучшают навигационные спутники, телекоммуникационные сети и временные метки, от которых зависят финансовые системы. Они также лежат в основе проверок фундаментальной физики: часы, чувствительные к ядерным силам, могли бы проверить, действительно ли константы природы постоянны, и искать тонкие эффекты, которые обычные атомные часы не видят. Некоторые исследователи также предлагали ядерные переходы как путь к более точным стандартам частоты для будущих поколений технологий.
До коммерческого прибора еще далеко. Ядерные часы остаются хрупкими, требующими лазеров лабораторными машинами, и превращение их в надежные устройства займет годы. Но направление движения ясно. Глобальная гонка в квантовых прецизионных измерениях — область, включающая атомные часы, гравитационные датчики и квантовые магнитометры — набирает обороты, и результат с торием переводит экзотическую идею в разряд работающего оборудования.
Для китайского научного сообщества результат Цинхуа является показателем того, как далеко продвинулись отечественные квантовые исследования. Китайские лаборатории стали постоянными участниками на переднем крае прецизионных измерений наряду с давно established группами в Европе и Северной Америке. Почти одновременная публикация также указывает на практическую реальность: прогресс в этой области по-прежнему зависит от обмена знаниями, трансграничного сотрудничества и открытых публикаций, даже когда конкуренция усиливается.
На данный момент достижение лучше всего понимать как доказательство принципа с длинным шлейфом. Часы, которые отсчитывают время внутри ядра, больше не мысленный эксперимент. Следующее десятилетие решит, насколько точными они могут стать и какие применения — от геодезии до фундаментальной физики — первыми выиграют от тиканья, идущего из сердца атома.