Часы являются краеугольным камнем современной физики и технологий, поскольку они позволяют ученым оценивать фундаментальные научные теории и делают возможными GPS и телекоммуникации. Текущим золотым стандартом сверхточного измерения времени являются цезиевые атомные часы, в которых крошечные и фиксированные энергетические переходы электронов атома используются для отслеживания времени. Теперь, исследование, описанное ранее в этом месяце, распахнуло дверь новому поколению хронометров, которые обещают быть еще более точными: ядерные часы.
«Ядерная физика не была предметом очень точных измерений просто потому, что у нас нет такой возможности», — говорит старший автор исследования Цзюнь Йе, физик из Университета Колорадо в Боулдере. НаукаДжей Беннет. Исследование его команды, опубликованное в журнале Природаоткрывает новую главу в истории физики, представив первый в мире прототип ториевых часов.
«Эта работа — невероятное техническое достижение», — говорит Ханна Уильямс, физик из Даремского университета в Англии, которая не принимала участия в исследовании. Журнал КвантаДжозеф Хоулетт.
Люди долгое время отсчитывали время по регулярным явлениям, от прибывающей и убывающей луны до убаюкивающих колебаний маятника в напольных часах. Колебательные события более высокой частоты, такие как энергетические переходы одной частицы, уточняют измерение времени и привносят большую точность в хронометраж.
Рассмотрим атом, базовый строительный блок материи, состоящий из ядра, окруженного облаком подвижных электронов. Основой атомных часов является электрон — чтобы определить время, исследователи используют лазер, чтобы заставить электроны прыгать вперед и назад между двумя определенными уровнями энергии.
Теперь рассмотрим атомное ядро — крошечное, статическое ядро из плотно упакованных нейтронов и протонов, вокруг которого роится электронное облако. Как и у электрона, у ядра тоже есть энергетические уровни, между которыми оно может переключаться. Это плотное сердце содержит почти всю массу атома, но занимает всего лишь около одной стотысячной пространства всего атома. Защищенное электронным облаком, ядро менее восприимчиво к шумам в окружающей среде. Таким образом, ядерные переходы теоретически могли бы предложить гораздо более точный способ измерения времени по сравнению с электроном.
Проблема создания часов из атомного ядра заключается в том, что энергия, необходимая для его возбуждения, намного больше, чем для электрона. Эта потребность в энергии обычно находится в диапазоне сверхвысоких частот гамма-лучей — за пределами досягаемости обычных лазеров.
Единственный элемент в периодической таблице противоречит этой тенденции: торий-229, который содержит два похожих энергетических уровня своего ядра — достаточно близких друг к другу, чтобы разрыв можно было преодолеть с помощью ультрафиолетового луча. «Во всей таблице всех ядер это единственный», — говорит Эрик Хадсон, физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который не принимал участия в исследовании. Кванты. Но сначала исследователям нужно было определить точное количество энергии, способное возбудить ядро тория. И это значение было неуловимым и размытым.
За последний год или около того исследователи по всему миру добились значительных успехов в многолетнем стремлении сузить диапазон энергий лазера, необходимых для получения тория-229, пишет Наука. В прошлом году группа ученых из Европы измерила этот энергетический разрыв, составив 8,4 электронвольта. Несколько месяцев спустя другая группа ученых из Германии развеяла неопределенность, заявив, что предварительный энергетический триггер составляет 8,35574 электронвольта. Несмотря на улучшения, ученым все еще требовалось более точное измерение для создания ядерных часов.
В новом исследовании авторы еще больше усовершенствовали поиск, используя частотный гребень, специализированный лазер, который действует как измеритель частоты света. Инструмент, который использовала команда Йе, мог генерировать 100 000 дискретных частот света, подобно мелким зубцам расчески.
Команда направила лазерную гребенку на атомы тория, внедренные в зерна фторида кальция, и просканировала их на наличие контрольной частоты.
Наконец, ближе к полуночи в мае, аспирант Йе Чуанкунь Чжан уловил знак того, что ядро тория-229 перешло между двумя энергетическими состояниями. «Никто не мог спать», — рассказывает он Наука. В соответствии с КвантыВ тот вечер к Чжану в лаборатории присоединились еще несколько членов группы, чтобы отпраздновать это событие, и почти в четыре часа утра команда сделала памятное селфи.
Благодаря частотной гребенке команда Йе увеличила точность измерения перехода тория в миллион раз. Хотя они все еще не так точны, как нынешний рекордсмен по точности — оптические часы из атомов стронция, — прототип тория представляет все ингредиенты для создания первых в мире ядерных часов. «Это исследование приближает нас к такому уровню точности», — говорит Йе КосмосЭллен Фиддиан.
Ядерные часы могли бы проложить путь к измерению фундаментальных констант физики с точностью, которую атомные часы никогда не смогли бы достичь. Фундаментальные константы, такие как скорость света, определяют, как работает наша вселенная в соответствии с принципами физики, но они могут быть не такими постоянными, как предполагает их название. Некоторые исследователи предположили, что эти значения могут дрейфовать со временем, поскольку базовые явления, которые они описывают, слегка смещаются, согласно Кванты. Та же физика определяет и энергии переходов тория, что делает изотоп удобным прибором для обнаружения и калибровки этих мельчайших махинаций нашего физического мира.
Такое точное устройство для измерения времени могло бы измерять крошечные способы, которыми гравитация изменяет время, или обнаруживать гравитационные волны. Оно могло бы даже пролить свет на темную материю — таинственную, невидимую субстанцию, которая составляет примерно 27 процентов Вселенной, — поскольку взаимодействие с темной материей изменило бы частоту, необходимую для возбуждения ядра тория-229.
Но чтобы сделать все это возможным, потребуется сократить неопределенность перехода тория как минимум еще в десять раз. «Все, что осталось сделать, — это техническую разработку», — говорит соавтор исследования и физик Венского центра квантовой науки и технологий Торстен Шумм КосмосОн ожидает, что ядерные часы превзойдут атомные по точности в течение двух-трех лет.
Поскольку серьезных препятствий больше не предвидится, теперь остается только обратный отсчет до открытий, которые возможны только с использованием ядерного хронометража.
«Теперь начинается самое интересное», — говорит Хадсон. Кванты«Мы действительно можем это сделать».