Первые работающие ядерные часы на основе тория-229 продемонстрировали стабильную работу в лабораторных условиях. Над технологией независимо работали исследовательские группы в Австрии и Китае, а результаты экспериментов показали, что новый тип часов уже способен измерять время с очень высокой точностью.
Новость особенно интересна на фоне других технологических разработок, о которых рассказывает NewDay. В случае с ядерными часами речь идет не о новом гаджете, а о принципиально ином способе отсчета времени, который в перспективе может использоваться в навигации, связи, геодезии и фундаментальной физике.
Главная особенность новой технологии заключается в том, что «маятником» здесь становится не атом целиком, а его ядро.
Что такое ядерные часы и почему о них заговорили
Обычные высокоточные атомные часы работают благодаря переходам электронов между энергетическими состояниями. Лазер или другое электромагнитное излучение заставляет электрон изменить свое состояние, а частота такого перехода становится чрезвычайно стабильным ориентиром для измерения времени.
Ядерные часы используют похожий принцип, но переход происходит непосредственно внутри атомного ядра. Это небольшая на первый взгляд разница имеет большое значение: ядро гораздо компактнее электронной оболочки и слабее реагирует на многие внешние воздействия.
Для экспериментов выбрали изотоп торий-229. У него существует необычно низкоэнергетическое возбужденное состояние, которое можно возбуждать лазерным излучением. Именно эта особенность сделала торий-229 главным кандидатом для создания нового поколения сверхточных часов.
«Если использовать атомные ядра вместо атомов, в принципе можно добиться значительно большей точности», — говорит физик Торстен Шумм из Венского технического университета.
Технология развивалась не один год. Еще в 2003 году была предложена идея использовать переход в ядре тория-229 для создания ядерных часов, однако исследователям потребовались годы экспериментов, чтобы достаточно точно определить энергетические характеристики перехода и научиться стабильно воздействовать на ядро лазером.
Чем ядерные часы отличаются от атомных
На бытовом уровне разницу заметить невозможно. И атомные, и ядерные часы не нужны для того, чтобы обычные часы на смартфоне показывали более точное время. Их задача гораздо серьезнее: создавать эталон частоты, с которым можно сравнивать другие системы.
| Характеристика | Атомные часы | Ядерные часы |
|---|---|---|
| Что используется как эталон | Переход электронов | Переход внутри атомного ядра |
| Основной материал нового прототипа | Разные атомы и ионы | Торий-229 в кристалле |
| Чувствительность к внешним воздействиям | Зависит от конструкции | Потенциально ниже |
| Размер будущей системы | От лабораторных до компактных | Есть потенциал для миниатюризации |
| Текущий статус | Зрелая технология | Ранний рабочий прототип |
| Потенциал точности | Очень высокий | Теоретически еще выше |
В новом австрийском прототипе атомы тория-229 разместили внутри кристалла фторида кальция. Такой подход позволяет удерживать материал в стабильной структуре и одновременно направлять на него лазерное излучение.
Именно переход от отдельных атомов к ядрам может стать главным источником будущего прироста точности.
Система также получила автоматическую обратную связь. Если частота лазера немного отклоняется от необходимого значения, измерение поглощения света ядрами показывает это изменение, после чего система корректирует лазер. Благодаря такой схеме часы могут самостоятельно поддерживать нужную частоту без постоянной ручной настройки.
Насколько точными оказались первые ядерные часы
Результат первого рабочего прототипа выглядит необычно даже для мира сверхточной метрологии. В ходе испытаний австрийская установка достигла относительной нестабильности порядка 10⁻¹⁵ при усреднении за сутки. Это соответствует ошибке примерно в одну секунду за 30 миллионов лет.
При этом называть новые устройства абсолютным мировым рекордом пока неправильно. Лучшие современные оптические атомные часы уже демонстрируют еще более высокую стабильность, поэтому сегодняшняя ценность ядерных часов заключается прежде всего в доказательстве работоспособности нового принципа.
«Для первого прототипа это фантастический результат, хотя до уровня лучших оптических атомных часов он пока не дотягивает», — говорит Торстен Шумм.
Исследователи рассчитывают улучшать технологию сразу по нескольким направлениям:
- повышать мощность и стабильность лазеров;
- улучшать качество кристаллов с торий-229;
- снижать влияние внешних факторов на измерение;
- совершенствовать систему автоматической обратной связи;
- повышать стабильность ядерного перехода;
- уменьшать размеры экспериментальной установки.
Пока речь идет о лабораторной технологии, но именно такие прототипы обычно становятся основой для дальнейшей инженерной работы.
Почему торий-229 оказался настолько важным
Создание ядерных часов стало возможным не потому, что ученые просто решили заменить атом ядром. Для большинства атомных ядер нужные энергетические переходы требуют слишком большой энергии, а подходящего лазерного источника для практического эксперимента не существует.
Торий-229 оказался редким исключением. Его ядро имеет необычно низкоэнергетическое возбужденное состояние, причем энергия перехода находится в диапазоне, доступном для лазерных методов. Именно это позволяет физикам воздействовать на ядро с высокой точностью.
Для понимания масштаба задачи достаточно представить обычные атомные часы как систему, которая наблюдает за очень стабильным «ритмом» электронов. В ядерных часах ученые пытаются использовать еще более защищенный от внешних воздействий ритм внутри ядра.
«Переход тория-229 настолько необычен, что он стал основой совершенно нового направления точного измерения времени», — отмечал Торстен Шумм в работах, посвященных развитию технологии.
Еще один интересный момент связан с самим кристаллом. В новой конструкции торий-229 не обязательно содержать в сложной системе с одиночными атомами в вакууме. Его можно внедрять в прозрачный кристалл, что потенциально делает конструкцию проще и открывает путь к более компактным устройствам.
Где могут пригодиться ядерные часы
Наиболее очевидная сфера применения — системы, которым требуется исключительно точная синхронизация. Современная инфраструктура уже сильно зависит от точного времени, хотя большинство пользователей этого не замечает.
Ядерные часы в перспективе могут быть полезны для:
- высокоточной спутниковой навигации;
- синхронизации телекоммуникационных сетей;
- геодезических измерений;
- научных экспериментов с фундаментальными физическими величинами;
- поиска очень слабых изменений физических констант;
- высокоточных измерений гравитационного поля и геологических процессов.
Для навигационных систем точность времени имеет непосредственное значение. Ошибка в определении времени превращается в ошибку определения расстояния, поскольку спутниковая навигация рассчитывает положение по времени прохождения радиосигнала.
Похожий принцип действует и в телекоммуникациях. Чем точнее синхронизированы распределенные системы, тем легче поддерживать работу сложной инфраструктуры, где данные одновременно передаются между большим количеством устройств.
Но наиболее необычное применение связано с фундаментальной физикой. Ядерные часы могут использоваться как инструмент для поиска очень слабых изменений, которые невозможно обнаружить обычными измерениями.
Для физиков сверхточные часы становятся не только измерителем времени, но и своеобразным датчиком новых явлений.
Ученые уже использовали созданную систему для ограничений на некоторые модели легкой темной материи. Если в будущем удастся существенно повысить чувствительность, ядерные часы могут стать инструментом для проверки гипотез за пределами стандартной модели физики частиц.
Почему до массового использования еще далеко
Работающий прототип не означает, что ядерные часы скоро появятся в смартфонах или наручных устройствах. Между лабораторным экспериментом и массовым прибором остается несколько серьезных инженерных задач.
Прежде всего необходимо повысить стабильность и точность системы. Современные атомные часы уже находятся на чрезвычайно высоком уровне, поэтому новый тип часов должен не просто работать, а давать преимущества, которые оправдывают сложность производства.
Второй вопрос связан с материалами. Для работы нужны высококачественные кристаллы с торий-229 и точное управление лазерным излучением. Чем меньше внешних факторов влияет на эксперимент, тем легче получить воспроизводимый результат.
Третий фактор — размеры и стоимость оборудования. Лабораторная установка может занимать значительное пространство и требовать сложной оптики, электроники и системы стабилизации.
«Следующий этап — существенно улучшить точность за счет более мощных лазеров и лучших кристаллов тория», — говорит Шумм.
Путь к практическому устройству поэтому будет состоять из нескольких последовательных этапов: улучшение прототипа, независимое подтверждение результатов, уменьшение оборудования и проверка работы системы в реальных условиях.
Что изменит появление ядерных часов
Значение технологии не ограничивается вопросом о том, какие часы точнее. Если ядерные переходы действительно позволят создать более стабильные и компактные эталоны частоты, измениться могут сами методы измерения времени и физических величин.
Сверхточные часы уже давно используются не только для определения времени. Они помогают исследовать гравитацию, движение земной коры, фундаментальные взаимодействия и возможные отклонения физических констант.
У ядерных часов есть еще одно преимущество: их чувствительность к некоторым внешним воздействиям потенциально ниже, чем у систем, основанных на электронных переходах. Это может дать ученым новый инструмент для экспериментов, где даже крайне слабое воздействие способно изменить результат.
Похожие научные темы уже появляются и в материалах NewDay, например в публикации о том, как ученые исследуют изменения движения ядра Земли под Тихим океаном. Еще один пример технологического направления — материал о новой зоне 5G во Львове и подключении к сети.
Что известно о первых ядерных часах сейчас
На данный момент технология находится на стадии рабочих прототипов. Австрийская команда продемонстрировала самостабилизирующуюся систему, а отдельная исследовательская группа в Китае также сообщила о создании работающих ядерных часов на основе тория-229. Результаты обеих групп опубликованы в одном выпуске научного журнала Nature.
При этом современные атомные часы пока остаются эталоном точного времени. Ядерные системы должны пройти дальнейшую техническую доработку, прежде чем их преимущества станут заметны за пределами научных лабораторий.
Главная интрига теперь связана с тем, насколько далеко удастся продвинуть точность. Теоретический потенциал ядерного перехода значительно выше возможностей нынешних прототипов, а дальнейшее улучшение лазеров и качества кристаллов может открыть новые уровни стабильности.
Первые ядерные часы уже работают, но настоящая гонка начнется тогда, когда их удастся сделать компактными, надежными и практически полезными.
Часто задаваемые вопросы
Что такое ядерные часы?
Это сверхточные часы, которые используют переход энергетического состояния непосредственно в атомном ядре. В современных прототипах применяется изотоп торий-229.
Чем ядерные часы отличаются от атомных?
Атомные часы отслеживают переходы электронов между энергетическими состояниями, а ядерные используют изменения состояния ядра. Ядро меньше реагирует на некоторые внешние воздействия, поэтому у такой технологии есть потенциал для еще большей точности.
Насколько точны первые ядерные часы?
Австрийский прототип продемонстрировал стабильность порядка 10⁻¹⁵ при измерении в течение суток. Это соответствует потенциальной ошибке примерно в одну секунду за 30 миллионов лет.
Можно ли уже купить ядерные часы?
Нет. Сейчас это исследовательская технология, представленная лабораторными прототипами. До создания компактных коммерческих устройств предстоит решить ряд инженерных задач.
Где ядерные часы могут применяться?
Главные потенциальные направления — навигация, телекоммуникации, геодезия, синхронизация сложных сетей и фундаментальные физические эксперименты.
Что будет дальше?
Исследователи намерены улучшать лазеры, качество кристаллов и стабильность обратной связи. Главная цель заключается в том, чтобы повысить точность и постепенно превратить лабораторную систему в компактный практический прибор.
Читайте также: как ученые исследуют изменения в ядре Земли.