Фото из открытых источниковАтомные часы являются вершиной точного измерения времени, используются для определения секунды и включены в GPS и телекоммуникационные сети. Но, возможно, это скоро изменится. Точно увеличив масштаб определенного энергетического перехода в атомном ядре, исследователи приблизились как никогда раньше к созданию нового типа хронометра: ядерных часов. Такие устройства могут превзойти самые передовые атомные часы по точности и стабильности, что воодушевляет ученых использовать их в качестве зондов темной материи и других фундаментальных вопросов физики. Новая работа, опубликованная в журнале Nature, является первым случаем, когда исследователям удалось заставить все компоненты ядерных часов «работать одновременно», говорит соавтор исследования Цзюнь Йе, физик из JILA, совместного исследовательского центра, финансируемого Национальным институтом стандартов и технологий и Университетом Колорадо в Боулдере.
«Это действительно существенный шаг вперед, который они сделали», — говорит Эккехард Пейк, физик из PTB, национальной метрологической лаборатории Германии.
«Удивительно, как эта область ускорилась и набрала обороты», — говорит Сандро Кремер, физик из Католического университета Лёвена.
Атомные часы основаны на энергетических переходах в облаке электронов атома. Микроволна или лазер определенной частоты используются для подталкивания электронов к более высокому энергетическому состоянию. Эти электронные переходы служат для стабилизации лазерных или микроволновых колебаний, которые обеспечивают «тиканье» часов — миллиарды или даже триллионы в секунду.
Ядерные часы предлагают потенциал для усовершенствования, поскольку для того, чтобы заставить протоны и нейтроны в ядре подпрыгнуть в энергии, требуется лазерный свет гораздо более высокой частоты, что позволяет измерять время с гораздо более мелкими тиками. Что еще важнее, атомные ядра не так чувствительны к внешним электрическим и магнитным полям, как электроны, что делает ядерные часы по своей сути более стабильными. Но большинство атомных ядер имеют энергии возбуждения, которые слишком высоки для любого лазера.
Однако у тория есть аномально низкоэнергетический переход, и в 2003 году Пейк и его коллега из PTB Кристиан Тамм предложили его в качестве основы для часов.
«Нам очень повезло, что природа дала нам это ядро», — говорит Крамер.
Однако для разработки лазера, который мог бы возбуждать ядро, исследователям нужно было точно знать, какова энергия возбуждения тория-229. И только в прошлом году группа в ЦЕРНе, европейской лаборатории физики элементарных частиц, обнаружила фотоны, испускаемые торием-229 при его распаде из возбужденного состояния в основное, и измерила их энергию: около 8,4 электронвольт. Ранее в этом году Пейк и его коллеги улучшили это измерение, построив ультрафиолетовый лазер, чтобы перевести торий-229 в возбужденное состояние, а затем зарегистрировав испускаемый свет, когда он релаксировал примерно через 10 минут, еще больше зафиксировав энергию возбуждения до 8,35574 электронвольт — и определив связанную с этим частоту лазера, которая составила около 2020 терагерц.
Это все еще недостаточно точно, чтобы сделать точные часы. Поэтому Йе и его коллеги решили усовершенствовать поиск, используя лазерную частотную гребенку, которая генерирует свет на 100 000 стабильных, тонко разделенных частотах — «зубцах» гребенки.
Исследователи JILA настроили частотную гребенку на кристалл фторида кальция размером с песчинку, в который были внедрены сотни триллионов атомов тория-229. Они медленно сдвигали линии гребенки, сканируя диапазон частот. Однажды в мае, около полуночи, Чуанкунь Чжан, аспирант JILA, увидел, что одна из линий лазерной гребенки попала, заставив торий флуоресцировать с характерной вспышкой фотонов.
Частотная гребенка помогла исследователям определить частоту лазерного перехода примерно в миллион раз точнее, чем команда Пейка. И поскольку эта частотная линия была идеально связана с другими на гребенке, они смогли подключить лазер к одним из самых точных в мире атомных часов, которые основаны на стронции. Эта связь предоставила ключевые данные о работе ядерных часов и помогла команде исследовать ядерный переход. В будущем эта связь могла бы помочь интегрировать ядерные часы в существующие системы хронометража. Но для разработки рабочих часов лазер должен быть стабилизирован с помощью ядерного перехода. Чжан говорит, что сделать это было бы «тривиально», но пока не сделало бы часы более точными.
Теоретически часы на основе атомов тория, запертых в кристалле, будут более стабильными и портативными, чем существующие атомные часы, которые используют электромагнитные ловушки и дополнительные лазерные системы для охлаждения и удержания атомов на месте. Такие часы можно использовать для исследования влияния гравитации на время — часы, разделенные всего на 1 миллиметр, как было показано, тикают с разной скоростью из-за крошечных различий в гравитации, которую они испытывают. Изысканные хронометристы могли бы отслеживать небольшие изменения, которые могут быть вызваны прохождением гравитационных волн или смещением магмы под землей перед вулканическими извержениями.
Другим заманчивым физическим применением ядерных часов могла бы стать охота за кандидатами на роль частиц темной материи, невидимого вещества, которое, как полагают, составляет 85% массы во Вселенной. Многие модели предлагают сверхлегкие частицы темной материи, которые будут напрямую взаимодействовать с сильным ядерным взаимодействием, притяжением, которое связывает протоны и нейтроны вместе в ядрах. Если бы эти частицы взаимодействовали с ядрами тория, они бы нарушили частоту перехода, сбив часы обнаруживаемым образом.
«Здесь впервые у нас есть прямой доступ к сильному сектору», — говорит Элина Фукс, физик-теоретик из Ганноверского университета имени Лейбница.
«До сих пор это окно было закрыто или доступно только косвенно, а теперь оно широко открыто». Работа уже раскрывает ядерное поведение в беспрецедентных подробностях. Измерения JILA предоставили доказательства того, что атомные ядра, такие как торий, неожиданно разбухают и сжимаются при переходе между возбужденным и основным состояниями
. «Ядерная физика не была предметом очень точных измерений просто потому, что у нас нет такой возможности», — говорит Йе.
Теперь это меняется, и все благодаря скромным часам.
«Самое простое для измерения физической величины — это частота», — говорит Йе.
«И именно поэтому часы являются лучшими научными инструментами, созданными человеком».
