Атомные часы — самые точные из имеющихся у нас хронометров, они теряют всего несколько секунд за миллиарды лет. Но, видимо, этого недостаточно — ядерные часы могут украсть их славу, ускорив работу GPS и Интернета, среди прочего. Теперь ученые построили и испытали первый прототип ядерных часов.
Атомные часы отсчитывают время, подсчитывая колебания определенных атомов, которые чрезвычайно регулярны. Например, цезий-133 вибрирует ровно 9 192 631 770 раз в секунду, и атомные часы измеряют это, чтобы официально обозначить длительность секунды. Затем мировое время синхронизируется через сеть атомных часов, что позволяет использовать высокоскоростной интернет, GPS, космические запуски и другие технологии, требующие невероятно точного хронометража.
И теперь ученые работают над новым типом часов, который будет еще точнее. Ядерные часы работают по похожему принципу, только вместо измерения колебаний целого атома они фокусируются только на ядре. Это может показаться не такой уж большой разницей, но атом в 100 000 раз больше своего ядра, что сопоставимо с черникой, лежащей посреди футбольного стадиона.
Ядро имеет гораздо большее количество «тиков» в секунду, разбивая секунду на еще более мелкие части для более точного хронометража. В качестве бонуса, оно более устойчиво к помехам, таким как электромагнетизм, которые могут испортить эти измерения.
В обоих случаях «тик» происходит от частиц, переключающихся туда и обратно между двумя квантовыми состояниями, когда на них воздействует лазер определенной частоты. Проблема в том, что для ядерных часов обычно требуется гораздо более сильный лазер, чем для атомных часов — за исключением тория-229. Ядро этого атома имеет два квантовых состояния, которые гораздо ближе друг к другу по уровню энергии, поэтому для перехода между ними требуется меньший толчок.
Еще в апреле исследователи из JILA наконец-то смогли вычислить точное значение этой разницы энергий, а затем впервые активно переключили ядра тория между ними. Для этого потребовался ультрафиолетовый лазер вместо обычного инфракрасного света, используемого в атомных часах.
Простая схема, иллюстрирующая, как работают ядерные часыN. Hanacek/NIST
Теперь команда дополнила эту работу, чтобы продемонстрировать все компоненты, необходимые для создания ядерных часов. Серия инфракрасных лазерных импульсов выстреливается в ксеноновый газ, который производит ультрафиолетовый свет по предсказуемой схеме. Затем этот ультрафиолетовый свет направляется на ядра тория, взвешенные в крошечном кристалле, чтобы возбудить протоны и нейтроны там. «Оптическая частотная гребенка» подсчитывает циклы ультрафиолетовых волн, чтобы сделать сверхточные измерения времени.
Исследователи также сравнили УФ-частоту ядерных часов с оптической частотой, используемой в самых точных атомных часах в мире. На данном этапе ядерные часы не быстрее атомных часов, которые они могут когда-нибудь заменить, но команда говорит, что это было скорее исследованием для проверки концепции.
«С этим первым прототипом мы доказали: торий можно использовать в качестве хронометра для сверхточных измерений», — говорит Торстен Шумм, автор исследования. «Осталось только провести техническую разработку, и больше никаких серьезных препятствий не ожидается».
Исследователи предсказывают, что ядерные часы превзойдут точность атомных часов через два-три года, а также будут более портативными и стабильными. Если они возьмут на себя эту роль, мы сможем получить гораздо более быструю и надежную связь, интернет, GPS и другие технологии. Они даже могут помочь ученым исследовать основы физики и помочь в таких вещах, как поиск темной материи.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
