Вчені вперше в історії запустили ядерний годинник і ось чому це важливо

Група фізиків уперше продемонструвала працездатний ядерний годинник — прилад для вимірювання часу, що працює не на електронних переходах між енергетичними рівнями, як сучасні атомні годинники, а на переходах усередині атомного ядра. Ідею такого пристрою запропонували ще в 1970‑х роках, але реалізувати її вдалося лише зараз.

Сучасні атомні годинники вважаються найточнішими вимірювальними приладами у світі: відстежуючи частоту переходів електронів в атомах цезію або рубідію, вони можуть помилятися менш ніж на секунду за сотні мільйонів років роботи. Ядерний годинник використовує принципово інший підхід — роль «маятника» у ньому відіграють коливання атомного ядра, розміри якого в тисячі разів менші за електронну оболонку. Це робить його значно менш чутливим до зовнішніх електромагнітних полів та інших чинників, що вносять похибки у вимірювання.

Ключовим елементом нового пристрою став ізотоп торій-229. Його унікальна властивість — надзвичайно низькоенергетичний ядерний перехід між основним і збудженим станами ядра з енергією близько 8,4 еВ. Завдяки цьому перехід можна збуджувати ультрафіолетовим лазером, тоді як переважна більшість відомих ядерних переходів супроводжується випромінюванням високоенергетичних гамма-квантів і лазерному керуванню не піддається. Торій-229 виявився рідкісним винятком.

У створеному прототипі ядра торію-229 вбудували в кристал фториду кальцію — матеріал, прозорий для ультрафіолетового випромінювання потрібної довжини хвилі. Кристалічна решітка надійно фіксує атоми та знижує вплив теплових коливань. Лазер налаштовується на точну частоту ядерного переходу, а поглинання й наступне перевипромінювання фотонів формують стабільні коливання — «цокання» годинника. Сигнал утворюється колективними коливаннями великої кількості ядер одночасно, що підвищує точність вимірювань.

Довгий час реалізацію концепції стримувала відсутність точних даних про характеристики переходу в торії-229. Ситуація змінилася після серії експериментів останніх років. У 2024 році дослідники зі спільного інституту JILA, створеного за участі Університету Колорадо в Боулдері та Національного інституту стандартів і технологій США (NIST), виміряли частоту переходу з точністю, достатньою для лазерного збудження ядра.

Автори роботи визнають, що нинішній прототип поки поступається найкращим оптичним атомним годинникам за точністю. Утім, сам факт створення працездатної архітектури розглядається як принциповий прорив. Подальше вдосконалення лазерних систем і підвищення якості кристалів мають суттєво покращити характеристики пристрою та вивести його на новий рівень точності.

Окрім надточного вимірювання часу, ядерний годинник може стати інструментом фундаментальної фізики. На відміну від атомних годинників, чутливих переважно до електромагнітних взаємодій, ядро безпосередньо пов’язане зі слабкими та сильними ядерними взаємодіями. Порівняння показань ядерного й оптичного атомного годинників, на думку дослідників, здатне допомогти у пошуках надлегкої темної матерії, яка згідно з низкою теоретичних моделей може спричиняти ледь помітні періодичні зміни фундаментальних констант. Крім того, новий прилад може використовуватися для перевірки гіпотез про можливу зміну фізичних констант у космологічних масштабах часу — що безпосередньо стосується досліджень темної енергії та еволюції Всесвіту.