Большой шаг к созданию ядерных часов: прорыв с использованием лазера

Физики совершили значительный шаг на пути к созданию ядерных часов, впервые использовав настольный лазер для перевода атомного ядра в состояние с более высокой энергией. Этот прогресс открывает путь к созданию первых в мире ядерных часов, которые будут измерять время, опираясь на внутренние процессы атомных ядер.

В отличие от атомных часов, которые на сегодняшний день являются самыми точными измерителями времени у учёных, ядерные часы могут оказаться проще в изготовлении и более портативными. Они также могут быть использованы для тестирования фундаментальных физических теорий новыми способами. С последними результатами ядерные часы становятся более достижимыми, чем когда-либо.

Традиционные атомные часы основаны на физике электронов, окружающих атомы. В этих атомах электроны находятся на отдельных энергетических уровнях. Чтобы заставить электрон перейти на определенный более высокий энергетический уровень, ему необходимо предоставить точно определенное количество энергии от лазера. Эта энергия соответствует определенной частоте света лазера. Чтобы определить эту частоту, ученые направляют лазер на собрание атомов и сканируют частоту лазера до тех пор, пока электроны не совершат переход. Эта частота затем используется как атомный метроном для измерения времени.

Ядерные часы будут использовать переходы атомных ядер, а не электронов, для отметки времени. Хотя большинство атомных ядер имеют энергетические уровни, слишком далеко друг от друга для того, чтобы лазер мог инициировать переход, одно особенное ядро является исключением. Разновидность элемента торий, торий-229, имеет необычно маленький энергетический переход, доступный для лазеров.

До недавнего времени ученые не знали точного размера этого перехода. Однако в 2023 году ученые измерили его с более высокой точностью, чем когда-либо прежде. Это позволило физикам сделать следующий шаг. Исследователи использовали лазер для перевода ядер тория-229 на более высокий энергетический уровень и наблюдали за светом, испускаемым при возвращении обратно. Эксперимент дополнительно уточнил энергию перехода: она составляет 8,35574 электрон-вольта. Это число согласуется с измерением 2023 года, но примерно в 800 раз точнее.