Учёные из Венского технического университета (TU Wien) представили первый в мире ядерный хронометр с функцией автоматической самокоррекции. В его основе лежат ядра тория, а не электроны, как в обычных атомных часах. Устройство проработало без вмешательства извне более суток, самостоятельно удерживая нужную частоту.
За сутки измерений точность прототипа составила порядка 10⁻¹⁵ — это соответствует погрешности около одной секунды за 30 миллионов лет. «Это пока не уровень лучших в мире оптических атомных часов, но для первого прототипа результат фантастический», — приводит SciTechDaily слова профессора Института атомной и субатомной физики TU Wien Торстена Шумма. Стабильность работы обеспечивается за счёт того, что ядра тория реагируют на лазерное излучение строго определённой частоты.
Конструкция часов включает кристалл с атомами тория, созданный в TU Wien и облучаемый лазером. «Колебания этого лазерного света можно использовать для отсчёта времени, но частота лазера может слегка смещаться, например из-за перепадов температуры, — поясняет Шумм. — Для высокоточных измерений нужен механизм, который удерживал бы частоту лазера точно стабильной, чтобы часы продолжали идти с одним и тем же ритмом». В традиционных атомных часах эталоном служат энергетические состояния электронов в атомах.
Торий даёт принципиально иную возможность: два его ядерных энергетических состояния расположены необычайно близко друг к другу. Этот зазор настолько мал, что лазерный луч способен переводить ядро из одного состояния в другое. У других атомных ядер энергетические промежутки значительно больше, и лазер не может вызывать подобные переходы. Именно это свойство тория десятилетиями предполагали учёные.
В апреле 2024 года команда Шумма совместно с группой профессора Эккехарда Пайка из PTB Braunschweig впервые продемонстрировала лазерное возбуждение ядер тория. Осенью того же года установку соединили с обычными оптическими атомными часами и применили ядра как хранитель времени, подтвердив, что они способны обеспечить высокую точность. Однако прежняя схема ещё не обладала самоподдержкой частоты.
Нынешняя версия использует эффект падения поглощения: ядра тория поглощают лазерный свет на нужной частоте, и даже малое отклонение от неё заметно снижает поглощение. На основе этого сигнала часы автоматически подстраивают лазер, обходясь без опорного атомного эталона. По словам Шумма, ядра более чем в 10 000 раз меньше атомов и слабее реагируют на внешние помехи, что делает их надёжнее. В планах команды — повысить точность прототипа за счёт более мощных лазеров и улучшенных кристаллов тория.