Прототип ядерных часов удерживал частоту лазера стабильной более суток

Точным часам нужен ритм, который не сбивается. Исследователи из Вены и Брауншвейга заставили лазер корректировать собственную частоту, непрерывно сравнивая ее с изменением энергии ядер тория. Прототип ядерных часов работал с такой обратной связью более 24 часов. Пока его показатели уступают лучшим оптическим атомным часам; улучшить их — задача будущих исследований.

Современные оптические атомные часы считают колебания света, настроенного на переходы электронов вокруг атомного ядра. Ядерные часы вместо этого используют энергетический переход внутри ядра. Торий-229 — изотоп, то есть разновидность тория с определенным составом ядра; его нужный переход доступен ультрафиолетовому свету с длиной волны 148 нанометров, намного короче видимого света. Нанометр — миллиардная доля метра.

Luca Toscani De Col, Thomas Riebner, Ira Morawetz и коллеги включили торий-229 в миллиметровый кристалл фторида кальция при комнатной температуре. Когда частота лазера совпадает с частотой, на которой ядра поглощают свет, наступает резонанс. Команда измеряла поглощение, замечала уход лазера от этого совпадения и возвращала сигнал для коррекции. Обратная связь означает повторение измерения и исправления, а не однократную настройку.

Простыми словами: представьте настройку музыкального инструмента по эталонной ноте. Лазер — нота, которая может уйти из тона; ядра задают эталон; измерение поглощения подсказывает направление поправки. Устройство не считывает секунды непосредственно с ядра. Оно удерживает свет на ядерной частоте и использует колебания света как основу счета времени.

В статье в Nature исследователи сравнили стабилизированную частоту с часами на ионе иттербия — электрически заряженном атоме иттербия, служащем другим ориентиром. Относительная нестабильность показывает, насколько частота меняется за выбранное время измерения. В опыте она убывала приблизительно как 3 × 10⁻¹², деленные на квадратный корень из времени наблюдения в секундах, и после суток приблизилась к 10⁻¹⁵. Это показатель стабильности в измеренном интервале, а не доказательство абсолютной точности на протяжении миллионов лет.

В сообщении TU Wien о той же установке не назван индивидуальный автор; организация указывает на возможные проверки фундаментальной физики. Команда также искала колебания частоты, предсказанные некоторыми моделями сверхлегкой темной материи — гипотетической формы материи, которая пока не обнаружена, — на периодах от 20 секунд до суток. Анализ ограничил проверенные модели, но не обнаружил темную материю. Другие недавно представленные ядерные часы — отдельные эксперименты и к этому результату не относятся.

Доказанный результат состоит в том, что ядерный эталон непрерывно управлял светом лазера более суток. Он не устанавливает рекорд точности и не дает готового прибора для навигации или связи. Снижение шума и более длительные сравнения частот покажут, сможет ли эта схема соперничать с лучшими атомными эталонами и расширить проверки физических законов.