Вчені створили кристал для ядерного годинника, який перевершить сучасні атомні системи

Фізики з Віденського технічного університету визначили оптимальне розташування атомів торію-229 усередині кристала фториду кальцію. За оцінками дослідників, цей результат відкриває шлях до ядерного годинника, точність якого приблизно в десять разів перевищуватиме показники сучасних атомних годинників.

Робота над відповідним кристалом тривала понад 15 років. Науковці шукали спосіб вбудувати атоми ізотопу торій-229 у кристалічну решітку так, щоб зберегти властивості, потрібні для стабільної роботи майбутніх пристроїв.

Сучасні атомні годинники вимірюють час, відстежуючи переходи електронів між енергетичними рівнями під дією лазерного випромінювання. Вони є основою супутникової навігації, телекомунікацій і фінансових систем. Однак такі пристрої чутливі до зовнішніх електричних і магнітних полів, а захист від них вимагає складного обладнання — вакуумних камер і систем екранування.

У ядерному годиннику роль маятника виконує не електронний перехід, а перехід між енергетичними станами атомного ядра. Електронна оболонка частково екранує ядро від зовнішніх впливів, що потенційно робить такі годинники компактнішими й стійкішими до перешкод. Особливий інтерес для цієї технології становить ізотоп торій-229: його ядро має незвично низькоенергетичний збуджений стан, доступний для дослідження за допомогою ультрафіолетового лазера.

Проте точне положення атома торію всередині кристалічної решітки виявилося принципово важливим. Якщо атом опиняється у несприятливій позиції, навколо нього виникає неоднорідне електричне поле, яке змінює характеристики ядерного переходу і знижує точність годинника.

Щоб знайти ідеальне розташування, дослідники збуджували ядра торію-229 ультрафіолетовим лазером, а потім вимикали його й спостерігали за випромінюванням при поверненні ядер у вихідний стан. Експерименти показали, що атоми торію можуть займати чотири різних положення в решітці. У трьох випадках фіксувалося випромінювання на кількох довжинах хвиль — ознака впливу неоднорідного електричного поля. Лише в четвертому положенні зареєстровано єдиний спектральний перехід, що свідчить про мінімальний вплив зовнішніх збурень на ядро.

На основі цих результатів команда вже створила прототип пристрою. У перспективі такий годинник можна суттєво мініатюризувати та розмістити на компактних електронних пристроях або спеціалізованих чипах. Дослідники планують найближчим часом значно підвищити точність прототипу, а в подальшому створити ядерний годинник, який перевершить сучасні системи вимірювання часу приблизно на порядок.