Атомные часы — самые точные устройства для измерения времени, они сбиваются всего на пару секунд за миллиарды лет. Но теперь на горизонте появился новый игрок — ядерные часы, которые могут не только превзойти атомные, но и ускорить работу GPS и интернета. Ученые создали первый прототип таких часов.
Атомные часы работают за счет отсчета колебаний атомов, таких как цезий-133, который вибрирует ровно 9 192 631 770 раз в секунду. Эти колебания измеряются, и на их основе устанавливается продолжительность секунды. Мировое время синхронизируется с помощью сети таких часов, что и позволяет технологиям, таким как высокоскоростной интернет, GPS и космические полеты, функционировать с максимальной точностью.
Но ядерные часы обещают быть еще точнее. Они работают по похожему принципу, только фокусируются на колебаниях не целого атома, а его ядра. Хотя ядро гораздо меньше атома — примерно как черника на футбольном стадионе, — оно тикает чаще, что позволяет делать еще более точные измерения времени. Кроме того, такие часы менее подвержены внешним воздействиям, например, электромагнитным помехам.
В обоих случаях "тики" возникают, когда частицы атома переходят между двумя квантовыми состояниями под воздействием лазера. Проблема в том, что для ядерных часов нужен более мощный лазер, чем для атомных, но с одним исключением — торий-229. Его ядро имеет два близких по энергии квантовых состояния, поэтому для переключения между ними достаточно менее интенсивного лазера.
В апреле ученые из JILA точно определили разницу между этими уровнями энергии и впервые смогли переключать ядра тория между ними, используя ультрафиолетовый лазер вместо инфракрасного, который применяется в атомных часах.
Теперь исследователи смогли собрать все необходимые элементы для создания полноценного прототипа ядерных часов. Серия импульсов инфракрасного лазера направляется на ксеноновый газ, который производит предсказуемый ультрафиолетовый свет. Этот свет попадает на ядра тория, помещенные в маленький кристалл, возбуждая протоны и нейтроны. "Оптическая частотная гребенка" затем подсчитывает колебания ультрафиолетовых волн для сверхточного измерения времени.
Они также сравнили частоту этих волн с частотой, используемой в самых точных атомных часах. Пока ядерные часы не обошли атомные по точности, но это был всего лишь экспериментальный прототип, который показал, что торий можно использовать для создания ультраточных хронометров.
Этот прототип доказал, что торий подходит для сверхточных измерений времени. Теперь осталось лишь доработать технологию, никаких серьезных препятствий не осталось.
Ученые считают, что ядерные часы смогут превзойти атомные по точности уже через пару лет, а также станут более компактными и стабильными. Если это случится, нас ждет ускорение работы интернета, GPS и других технологий. А возможно, они даже помогут в исследовании темной материи и расширят наше понимание основ физики.