Учёные из Вены создали первые в мире самоподдерживающиеся ядерные часы — устройство, которое в перспективе способно измерять время значительно точнее современных атомных часов. Работа над этой технологией велась десятилетиями, и теперь исследователи смогли продемонстрировать полностью рабочий прототип. В отличие от предыдущих образцов, новое устройство сохраняет стабильность самостоятельно, не опираясь на обычные атомные часы.
Специалисты подтвердили, что их разработка способна работать без вмешательства извне более суток. Это достижение имеет большое значение для прецизионных измерений, то есть области метрологии, где требуются максимально точные эталоны. Использование атомных ядер в качестве исключительно стабильных ориентиров позволяет в будущем измерять время и другие физические величины с точностью, недостижимой для существующих технологий.
В основе прорыва лежит необычное свойство ядер тория, которое изучается уже много лет. Атомные ядра могут находиться в разных энергетических состояниях, однако переход между ними обычно требует огромных затрат энергии. Торий — редкое исключение: два его энергетических уровня разделены крайне малым промежутком, поэтому переход между ними можно вызвать с помощью лазерного излучения. Именно это позволяет управлять состоянием ядра лазером, что для большинства других ядер невозможно, и использовать предельно точный переход как эталон для отсчёта времени.
Важный шаг был сделан в апреле 2024 года, когда группа исследователей под руководством профессора Торстена Шумма из Института атомной и субатомной физики Технического университета Вены совместно с командой профессора Эккехарда Пайка из PTB Braunschweig экспериментально обнаружила долгожданный ядерный переход. Учёные впервые показали, что лазерные лучи способны возбуждать ядра тория. Осенью 2024 года исследователи подключили свою установку к обычным оптическим атомным часам и доказали, что ядра могут служить высокоточным ориентиром для измерения времени. Однако тогда ещё отсутствовала одна ключевая возможность — поддерживать точность самостоятельно.
«На самом деле нужно самоподдерживающиеся ядерные часы, — поясняет профессор Торстен Шумм. — Основная идея проста: есть лазер и есть торий. Лазер меняет энергетическое состояние ядер тория, а ядра тория используются для стабилизации частоты лазера». Для этого исследователи создали систему на основе специального кристалла с атомами тория, изготовленного в Техническом университете Вены. Лазер светит на кристалл и взаимодействует с ядрами тория внутри. Свет лазера колеблется на определённой частоте, задавая регулярный ритм для отсчёта времени, но даже малейшие изменения окружающей среды могут этот ритм нарушить. «Колебание этого лазерного света можно использовать для отсчёта времени, но частота лазера может слегка смещаться, например из-за колебаний температуры, — объясняет Торстен Шумм. — Поэтому для высокоточных измерений нужен механизм, который удерживает частоту лазера точно стабильной, чтобы часы продолжали идти с одним и тем же ритмом». Традиционные атомные часы решают эту задачу, используя энергетические переходы электронов в атомах, а венская команда доказала, что ту же функцию способны выполнять ядра атомов тория.
Механизм работает так: ядра тория поглощают лазерный свет только при строго определённой частоте. Если лазер начинает отклоняться от неё, количество поглощаемого света уменьшается. Система улавливает это изменение и автоматически подстраивает лазер, возвращая его к нужной частоте. Такая непрерывная обратная связь поддерживает стабильный ход часов без опоры на обычные атомные часы. Впервые учёные продемонстрировали саморегулирующиеся ядерные часы, работающие независимо. Потенциальное преимущество ядерных часов заключается в особых свойствах атомных ядер. «Большое преимущество новых ядерных часов в Вене в том, что при использовании атомных ядер, а не атомов, в принципе возможна гораздо более высокая точность», — говорит Торстен Шумм. Атомные ядра более чем в 10 000 раз меньше атомов, и из-за своих крайне малых размеров они гораздо меньше подвержены внешним воздействиям, которые могут нарушить точные измерения. Эта устойчивость к помехам делает ядерные энергетические переходы особенно перспективными для сверхточного измерения времени.
Чтобы оценить прототип, исследователи измеряли его работу в течение суток. Ядерные часы достигли относительной точности около 10 в минус пятнадцатой степени, что соответствует ошибке примерно в одну секунду за 30 миллионов лет. Эта цифра описывает измеренную точность часов, а не реальное испытание длительностью в миллионы лет, но она показывает, какой значительной точности уже удалось добиться на раннем прототипе. Пока новые часы уступают по точности лучшим оптическим атомным часам мира, которые остаются эталоном высокоточного измерения времени. «Это ещё не уровень лучших оптических атомных часов мира, но для первого прототипа это фантастический результат», — отмечает Торстен Шумм. По мнению исследователей, у их ядерных часов есть значительный потенциал для улучшения. Используя более мощные лазеры и создавая кристаллы тория более высокого качества, они рассчитывают существенно повысить точность. Такие доработки в перспективе позволят ядерным часам превзойти существующие атомные часы и установить новый стандарт измерения времени. Это важно не только для создания лучших часов: более точный отсчёт времени улучшает измерение других физических величин и даёт учёным всё более чувствительные инструменты для изучения фундаментальных свойств природы. Пока же достижение венской команды доказывает, что давно обсуждаемая научная концепция может работать как самоподдерживающаяся система отсчёта времени. С запуском первых в мире самоподдерживающихся ядерных часов учёные сделали важный шаг к будущему, в котором время можно будет измерять с беспрецедентной точностью.