1104
Фізики з Віденського технічного університету створили перший у світі самостабілізувальний ядерний годинник – установку, яка демонструє точність, еквівалентну похибці близько однієї секунди за 30 мільйонів років. Як повідомляє ScienceDaily, це перший прототип, який може працювати самостійно, без «підстраховки» звичайним атомним годинником.
Чому саме торій відкриває шлях до ядерних годинників
Зазвичай атомні годинники орієнтуються на переходи електронів між енергетичними рівнями в атомах. У новому пристрої роль еталону відіграють не електрони, а крихітні атомні ядра торію. Вони у понад 10 000 разів менші за атом і значно слабше реагують на зовнішні впливи, наприклад електромагнітні поля чи коливання температури.
Атомні ядра можуть перебувати в різних енергетичних станах, але зазвичай для переходу між ними потрібні величезні енергії. Торій став унікальним винятком: два його ядерні стани розділені надзвичайно малою різницею енергій. Завдяки цьому їх можна «перемикати» лазерним світлом, що для більшості ядер просто неможливо.
Ця властивість зробила торій ідеальним кандидатом для ядерного годинника. Дуже точний ядерний перехід можна використати як опорну частоту – своєрідний надстабільний метроном для вимірювання часу.
Від першого переходу до автономного годинника
Ключовий прорив стався у квітні 2024 року, коли команда під керівництвом проф. Торстена Шумма (Thorsten Schumm) з Інституту атомної та субатомної фізики ТУ Відня разом із групою проф. Еккегарда Пейка (Ekkehard Peik) з PTB Брауншвейг уперше експериментально спостерігала шуканий ядерний перехід у торії. Вчені продемонстрували, що лазерні пучки здатні збуджувати ядра торію.
Восени 2024 року вони зробили наступний крок: з’єднали установку для збудження торію зі звичайним оптичним атомним годинником і показали, що ядра можуть слугувати надточним еталоном часу. Однак тоді система все ще залежала від зовнішнього годинника для підтримання стабільності.
Новий результат полягає в тому, що ядерний годинник навчився стабілізуватися сам. Він здатен працювати безперервно й стійко понад 24 години без втручання та без зовнішнього атомного еталона.
Як працює самостабілізувальний ядерний годинник
Серце установки – спеціальний кристал із вбудованими атомами торію, виготовлений у ТУ Відня. Лазер освітлює кристал, а його світло коливається з певною частотою, що задає ритм годинника.
Проблема в тому, що частота лазера може трохи «пливти» під впливом температурних змін чи інших факторів. Для прецизійних вимірювань потрібен механізм, який постійно повертає цю частоту до точної опорної величини.
У класичних атомних годинниках таку стабілізацію забезпечують енергетичні переходи електронів. У віденській установці цю роль беруть на себе ядра торію. Вони поглинають лазерне світло лише тоді, коли частота точно відповідає ядерному переходу. Якщо лазер починає відхилятися, коефіцієнт поглинання змінюється.
Система відстежує цю зміну поглинання та автоматично підлаштовує частоту лазера, повертаючи її до потрібного значення. Таким чином створюється замкнений контур зворотного зв’язку, який постійно утримує годинник у робочому режимі з однаковим «тактом» – без допомоги окремого атомного годинника.
Точність і межі першого прототипу
Щоб оцінити можливості пристрою, дослідники вимірювали його роботу впродовж доби. Прототип досяг відносної точності порядку 10−15. У перерахунку це відповідає помилці близько однієї секунди за 30 мільйонів років.
Йдеться про оцінку на основі виміряної стабільності годинника, а не про реальний експеримент, що тривав би мільйони років. Проте це добре ілюструє рівень точності, якого вдалося досягти вже на ранній стадії розробки.
Нині провідні оптичні атомні годинники все ще точніші й залишаються еталоном для найскладніших задач часу та частоти. Самі автори підкреслюють, що віденський ядерний годинник поки не досяг рівня найкращих оптичних стандартів, але для першого самостабілізувального прототипу це вражаючий результат.
Перспективи надточного вимірювання часу
На думку дослідників, потенціал такої системи далеко не вичерпаний. Використання потужніших лазерів та кращих за якістю кристалів із торієм може суттєво підвищити точність.
Якщо ці вдосконалення реалізують, ядерні годинники зрештою можуть перевершити існуючі атомні та стати новим світовим стандартом відліку часу. Зростання точності не обмежується лише вимірюванням секунд: надстабільні частотні еталони дозволяють точніше визначати й інші фізичні величини, відкриваючи додаткові можливості для фундаментальної фізики.
Поки що головне досягнення віденської групи – демонстрація того, що концепція ядерного годинника з замкненим зворотним зв’язком дійсно працює як автономна система. Запустивши перший у світі самостабілізувальний ядерний годинник, фізики зробили важливий крок до епохи, коли час вимірюватимуть з безпрецедентною точністю.
Ядерний годинник у Відні досяг точності секунди за 30 мільйонів років з’явилася спочатку на Цікавості.
