Ядерний годинник на торії-229 вперше показав результати

Найточніші сучасні годинники — атомні — працюють на основі квантових коливань атома, зокрема його електронів. Проте фізики давно мріють про ще кращі годинники, які працюватимуть на атомних ядрах. Такі пристрої менш чутливі до впливу навколишнього середовища. Згідно з новими дослідженнями, ця мрія може незабаром стати реальністю.

Минулого тижня дві незалежні команди з Європи та Китаю опублікували перші результати експериментів з використанням годинника на атомних ядрах на основі кристалів фториду кальцію, що містять торій-229. Обидві статті, які ще не пройшли рецензування, доступні як препринти на arXiv. У європейському експерименті дослідники порівняли, наскільки добре годинник працює порівняно з провідними атомними годинниками, які використовуються в пошуках темної матерії. Китайська команда продемонструвала роботу годинника та порівняла його продуктивність з атомними годинниками.

«Ці результати створюють твердотільну платформу для компактних ядерних годинників, ядерного квантового зондування та прецизійних тестів фундаментальної фізики», — написала європейська команда у своїй статті.

Фізики Ерік Хадсон з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Андрій Дерев'янко з Університету Невади в Ріно зазначають, що ультраточні годинники — це більше, ніж наукова цікавість. Вони життєво важливі для безперебійної навігації, комунікацій та міжнародного обліку часу. Обидва вчені брали участь у дослідженні минулого грудня, яке продемонструвало потенціал торію-229 в годинниках на атомних ядрах.

В атомних годинниках науковці опромінюють та збуджують електрони в атомі, щоб перевести їх з одного енергетичного рівня на інший. Це поглинання відбувається на надзвичайно точній частоті, пояснюють дослідники. Ці закономірності визначаються законами фізики та дають світу досить послідовний стандарт для вимірювання часу.

Водночас ядро в 10 тисяч разів менше за атом і менш схильне до впливу температури, електричних полів та інших зовнішніх чинників. Саме тому фізики давно цікавляться годинниками на атомних ядрах.

Виклик полягав у тому, щоб знайти атом, яким науковці могли б найефективніше маніпулювати. Наприклад, він повинен реагувати на лазер, який вчені використовують для запуску «тактів» для вимірювання часу. У цьому сенсі торій-229 виявився виключно рідкісним випадком, оскільки має два різні стани. Науковці можуть індукувати їх за допомогою лазерів, щоб збудити ядро з одного стану в інший.

Останні дві статті базуються на їхній роботі та багатьох інших дослідженнях за останні кілька десятиліть. Важливо, що нещодавні демонстрації впроваджують петлю зворотного зв'язку, яка стабілізує роботу годинника. Це покращення порівняно з власною роботою європейської команди 2024 та 2025 років.

«Це був останній відсутній крок перед тим, як назвати це справжнім годинником», — розповів виданню Science News Ларс фон дер Венсе, фізик з Університету Йоганнеса Гутенберга в Майнці, Німеччина. Він не брав участі в жодній з робіт. З майбутніми вдосконаленнями лазерних та кристалічних технологій ядерні годинники повинні швидко розвиватися.

Окрім практичних переваг, дослідники вважають, що ядерні годинники можуть перевірити фундаментальні обмеження природи та нову фізику. Саме це європейська команда одразу вирішила зробити зі своєю останньою версією ядерного годинника. Друга половина статті описує, наскільки добре годинник справився з оцінкою обмежень для ультралегкої темної матерії — гіпотетичної форми матерії, яка могла б пояснити багато космічних таємниць.

Торстен Шумм, фізик з Віденського технічного університету в Австрії з європейської команди, повідомив виданню Science News, що ядерний годинник вже перевершив усі атомні годинники в певних типах вимірювань. Попри це, технологія все ще перебуває на перших етапах розвитку. Але схоже, що ядерні годинники мають хороший старт.