Физики Венского технического университета (TU Wien) под руководством Торстена Шумма нашли идеальное место в кристаллической решетке, где атом тория-229 делает ядерные часы в 10 раз точнее существующих атомных часов. Результаты работы команда опубликовала в журнале Science.
Атомные часы служат эталоном времени с середины прошлого века и лежат в основе спутниковой навигации и синхронизации финансовых транзакций по всему миру. Но их точность ограничена тем, что переходы электронов чувствительны к внешним электромагнитным полям, и ученые давно ищут более устойчивую физическую основу для отсчета времени.
Ядерные часы устроены иначе. Они измеряют не переходы электронов, а переходы нейтронов внутри самого атомного ядра тория-229. Такая конструкция получается прочнее и стабильнее — электронное облако атома естественным образом экранирует ядро от внешних помех, поэтому громоздкая вакуумная камера часам больше не нужна.
На поиск подходящего кристалла у команды ушло 15 лет. Ученые выращивали кристаллы фторида кальция, легированные торием, методом проб и ошибок, меняя пропорции и условия роста.
«Выращивание кристалла похоже на алхимию или готовку, — говорит Шумм. — Пробуешь один вариант, потом другой и продолжаешь пробовать».
Оказалось, что атомы тория способны занимать в решетке четыре разных места. В трех из них кристалл возвращал свет сразу на нескольких длинах волны, а значит, электрическое поле вокруг атома было неравномерным, и такие позиции не годились для часов. Четвертая точка отвечала только на одну длину волны — ровное поле сделало именно ее идеальной. Чтобы это проверить, физики направляли на кристалл ультрафиолетовый лазер на 60 с, затем выключали его и еще 5 минут наблюдали, как возбужденные ядра постепенно возвращались в исходное состояние и излучали свет обратно.
Собранная установка уже стала первым работающим прототипом ядерных часов на этом принципе. По словам исследователей, к концу года им удастся повысить точность как минимум на три порядка. В перспективе такие часы может получиться уместить в небольшой чип — тогда сверхточное измерение времени станет доступно не только лабораториям, но и системам спутниковой навигации, финансовым сетям и другой технике, для которой критична точность хода часов.
Ранее мы писали о том, что точность обычных атомных часов уже повышали ученые из США и Франции. Тогда для этого использовали квантовые компьютеры.