Международная группа исследователей под руководством ученых из JILA, совместного института Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере, достигла значительного прогресса в создании ядерных часов — революционного устройства для измерения времени, которое может превзойти современные атомные часы по точности и стабильности.
В отличие от атомных часов, которые измеряют время, используя переходы энергии электронов, ядерные часы будут использовать сигналы от ядра атома. Исследователи применили специально разработанный ультрафиолетовый лазер для точного измерения частоты энергетического скачка в ядрах тория, внедренных в твердый кристалл. Они также использовали оптическую частотную гребенку, действующую как чрезвычайно точная световая линейка, для подсчета количества ультрафиолетовых волновых циклов, создающих этот энергетический скачок.
Хотя эта лабораторная демонстрация еще не является полностью разработанными ядерными часами, она содержит все ключевые технологии для их создания. Эта работа достигла уровня точности, который в миллион раз выше, чем предыдущее измерение, основанное на длине волны.
Преимущества ядерных часов
Ядерные часы могут иметь значительные преимущества в точности по сравнению с атомными часами. Ядро атома гораздо меньше подвержено воздействию внешних помех, таких как электромагнитные поля, чем электроны. Лазерный свет, необходимый для создания энергетических скачков в ядрах, имеет гораздо более высокую частоту, чем требуется для атомных часов. Эта более высокая частота напрямую связана с большим количеством «тиков» в секунду и, следовательно, приводит к более точному измерению времени.
Для широкой общественности это развитие в конечном итоге может означать еще более точные навигационные системы (с GPS или без него), более высокие скорости интернета, более надежные сетевые соединения и более безопасную цифровую связь.
Последние исследования
Недавнее исследование, опубликованное в Physical Review Letters, посвящено изучению влияния температуры на ядерный переход тория-229. Команда под руководством профессора Джуна Е обнаружила, что этот переход относительно нечувствителен к температуре, что является идеальным качеством для прецизионного устройства измерения времени.
«Это первый шаг к характеристике систематики ядерных часов», — говорит доктор Джейкоб Хиггинс, первый автор исследования. «Мы нашли переход, который относительно нечувствителен к температуре, что именно то, что нам нужно для устройства точного измерения времени».
Команда планирует искать температурную «сладкую точку», где частота ядерного перехода остается почти полностью независимой от температуры. Их начальные данные показывают, что где-то между 150K и 229K частота перехода будет еще легче стабилизироваться по температуре, обеспечивая идеальные условия работы для будущих ядерных часов.
Применение за пределами измерения времени
Помимо повседневных технологий, ядерные часы могут улучшить тесты фундаментальных теорий о том, как работает вселенная, потенциально приводя к новым открытиям в физике. Они могут помочь обнаружить темную материю или проверить, действительно ли константы природы постоянны, позволяя проверять теории в физике элементарных частиц без необходимости в крупномасштабных ускорительных установках.
«Чувствительность ядерного перехода может позволить нам исследовать новую физику», — объясняет Хиггинс. «Помимо создания лучших часов, это может открыть двери к совершенно новым способам изучения вселенной».
