Първите работещи ядрени часовници: два екипа превърнаха теорията в реалност

След повече от две десетилетия теоретична и експериментална работа две независими научни групи успяха да реализират първите реално функциониращи ядрени часовници – устройства, които измерват времето, като следят "колебания вътре в атомното ядро", а не в обвивката от електрони около него. Паралелните пробиви, описани в препринти, публикувани в началото на юни в "arXiv", маркират прехода на ядрената хронометрия от "чиста концепция" към "действаща технология".

Дългоочакван етап в развитието

Европейски екип, ръководен от физика "Торстен Шум" от Техническия университет във Виена (Австрия), и китайска група от Университета "Цинхуа" начело с "Шицян Дин" и първия автор "Бейчън Хуан" поотделно успяват да стабилизират лазер във "вакуумния ултравиолет" при дължина на вълната "148 nm". И в двата случая това се постига, като се използва ядрен преход в ядрата на "торий‑229", вградени в кристали от "калциев флуорид".

И двата екипа реализират "затворени контури за обратна връзка", които непрекъснато настройват честотата на лазера така, че тя да съвпада с ядрения резонанс. Именно тази непрекъсната стабилизация е ключовата разлика между "просто спектроскопско измерване" и "истински работещи часовници".

"Това беше последната липсваща стъпка, след която устройството с пълно основание може да се нарече истински часовник", коментира пред "Science News" "Ларс фон дер Вензе", физик от Университета "Йоханес Гутенберг" в Майнц, който не участва в нито един от двата проекта.

Стабилност на честотата без криогенни условия

Екипът на Университета "Цинхуа" постига относителна нестабилност на честотата от "2 × 10⁻¹²" върху квадратния корен от времето на осредняване (измерено в секунди), което при по-дълга работа се свежда приблизително до "2 × 10⁻¹⁴". Виенската група докладва нестабилност от "3 × 10⁻¹²" върху квадратния корен от времето на осредняване, доближавайки се до "10⁻¹⁵" при едно денонощие непрекъсната работа в "автономен режим".

И двете установки функционират при "стайна температура" или близка до нея – без екстремно охлаждане и сложни вакуумни системи, каквито са необходими за най-добрите съвременни оптични атомни часовници. Това е важна индикация, че бъдещи версии на ядрените часовници могат да бъдат значително по-компактни и по-практични за полеви приложения.

Защо ядрените часовници са толкова важни

Атомното ядро е приблизително "10 000 пъти по-малко" от електронното облачно, което го прави много по-слабо податливо на смущения от външни електрически полета, температурни вариации и други източници на шум. Тази естествена "защитеност" в перспектива може да позволи създаването на часовници с "ненадмината стабилност", достатъчно малки за използване извън лабораторията и достатъчно точни, за да проверяват дали "фундаменталните физични константи" остават постоянни във времето.

Виенският екип незабавно използва своите ядрени часовници за търсене на "свръхлека тъмна материя" и съобщава, че уредът вече надминава водещите атомни часовници при поставянето на ограничения върху възможните начини, по които тъмната материя би могла да взаимодейства със "силното ядрено взаимодействие" и "кварките". Повишената чувствителност се дължи на факта, че ядреният преход в "торий‑229" реагира "хиляди пъти по-силно" на промени в "постоянната на фината структура", отколкото електронните преходи, използвани в стандартните атомни часовници.

Първи стъпки и бърз напредък

И двете научни групи признават, че прототипите, с които разполагат в момента, все още не достигат точността на най-добрите оптични атомни часовници в света, чиято относителна грешка пада под "10⁻¹⁸". Въпреки това темпът на развитие е впечатляващ. Още през март около "десетина екипа" от Китай, Европа, Япония и САЩ се надпреварват да сглобят необходимите компоненти за първи работещи ядрени часовници.

Виенската група успя едва през "2024 г." за пръв път да регистрира ясно ядрения резонанс на "торий‑229" – и само две години по-късно вече демонстрира напълно функциониращ часовник, базиран на този преход. Това подчертава колко бързо едно поле може да премине от фундаментални измервания към реални технологични приложения, когато няколко ключови технически препятствия бъдат преодолени.

"Най-много ме впечатли, че системата работи непрекъснато 24 часа без никаква намеса от страна на потребителя", споделя "Екехард Пайк" от германския национален метрологичен институт "PTB", един от съавторите на европейската статия. За бъдещите приложения – от фундаментална физика до навигация и комуникации – именно такава надеждност ще бъде решаваща.