Первые работающие ядерные часы: две команды превратили теорию в реальность

Спустя более чем два десятилетия теоретической и экспериментальной работы две независимые научные группы смогли реализовать первые реально функционирующие ядерные часы – устройства, которые измеряют время, отслеживая «колебания внутри атомного ядра», а не в электронной оболочке вокруг него. Параллельные прорывы, описанные в препринтах, опубликованных в начале июня в «arXiv», отмечают переход ядерной хронометрии от «чистой концепции» к «действующей технологии».

Долгожданный этап в развитии

Европейская команда под руководством физика «Торстена Шума» из Венского технического университета (Австрия) и китайская группа из Университета «Цинхуа» во главе с «Шицяном Дином» и первым автором «Бэйчэнем Хуаном» по отдельности смогли стабилизировать лазер в «вакуумном ультрафиолете» при длине волны «148 nm». В обоих случаях это достигается за счет использования ядерного перехода в ядрах «тория-229», встроенных в кристаллы «фторида кальция».

Обе команды реализовали «замкнутые контуры обратной связи», которые непрерывно настраивают частоту лазера так, чтобы она совпадала с ядерным резонансом. Именно эта непрерывная стабилизация является ключевым отличием между «просто спектроскопическим измерением» и «по-настоящему работающими часами».

«Это был последний недостающий шаг, после которого устройство с полным основанием можно назвать настоящими часами», – комментирует для «Science News» «Ларс фон дер Вензе», физик из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце, который не участвовал ни в одном из двух проектов.

Стабильность частоты без криогенных условий

Команда Университета «Цинхуа» достигла относительной нестабильности частоты «2 × 10⁻¹²» на квадратный корень из времени усреднения (измеренного в секундах), что при более длительной работе сводится примерно к «2 × 10⁻¹⁴». Венская группа сообщила о нестабильности «3 × 10⁻¹²» на квадратный корень из времени усреднения, приближаясь к «10⁻¹⁵» при одних сутках непрерывной работы в «автономном режиме».

Обе установки функционируют при «комнатной температуре» или близкой к ней – без экстремального охлаждения и сложных вакуумных систем, которые необходимы для лучших современных оптических атомных часов. Это важное свидетельство того, что будущие версии ядерных часов могут быть значительно более компактными и практичными для полевых приложений.

Почему ядерные часы так важны

Атомное ядро примерно «в 10 000 раз меньше» электронного облака, что делает его гораздо менее восприимчивым к помехам от внешних электрических полей, температурных колебаний и других источников шума. Эта естественная «защищенность» в перспективе может позволить создание часов с «непревзойденной стабильностью», достаточно малых для использования вне лаборатории и достаточно точных, чтобы проверять, остаются ли «фундаментальные физические константы» постоянными во времени.

Венская команда незамедлительно использовала свои ядерные часы для поиска «сверхлегкой темной материи» и сообщила, что устройство уже превосходит ведущие атомные часы в установлении ограничений на возможные способы взаимодействия темной материи с «сильным ядерным взаимодействием» и «кварками». Повышенная чувствительность обусловлена тем фактом, что ядерный переход в «тории-229» реагирует «в тысячи раз сильнее» на изменения «постоянной тонкой структуры», чем электронные переходы, используемые в стандартных атомных часах.

Первые шаги и быстрый прогресс

Обе научные группы признают, что прототипы, которыми они располагают в данный момент, все еще не достигают точности лучших оптических атомных часов в мире, чья относительная погрешность падает ниже «10⁻¹⁸». Тем не менее темп развития впечатляет. Еще в марте около «дюжины команд» из Китая, Европы, Японии и США соревновались в сборке необходимых компонентов для первых работающих ядерных часов.

Венской группе удалось лишь в «2024 году» впервые зарегистрировать четкий ядерный резонанс «тория-229» – и всего два года спустя они уже демонстрируют полностью функционирующие часы, основанные на этом переходе. Это подчеркивает, как быстро область может перейти от фундаментальных измерений к реальным технологическим приложениям, когда преодолевается несколько ключевых технических препятствий.

«Больше всего меня впечатлило, что система работает непрерывно 24 часа без какого-либо вмешательства со стороны пользователя», – делится «Экехард Пайк» из германского национального метрологического института «PTB», один из соавторов европейской статьи. Для будущих приложений – от фундаментальной физики до навигации и коммуникаций – именно такая надежность будет решающей.