Вперше в історії науковці наблизилися до створення надточного ядерного годинника

Фізики з Віденського технічного університету та Національного інституту метрології Брауншвейга вперше за допомогою лазера змінили енергетичний стан атомного ядра, а потім точно виміряли енергію переходу. Це відкриття об'єднує квантову і ядерну фізику, відкриваючи шлях для створення надточного ядерного годинника.

Маніпулюючи атомами або молекулами за допомогою лазера, фізики вміють перемикати квантові стани. Однак довгий час здавалося неможливим застосувати ці методи до атомних ядер. «Зазвичай для переходу атомного ядра з одного стану в інший потрібно набагато більше енергії - принаймні в тисячу разів більше енергії електронів в атомі або молекулі», — пояснює Торстен Шумм, керівник дослідження.

Ще у 1970-ті роки фізики припустили, що може існувати особливе атомне ядро торій-229, яким легко маніпулювати за допомогою лазера. Два енергетичні стани в нього настільки близько розташовані, що достатньо лазера для перемикання між ними. Тривалий час науковцям не вдавалося розрахувати правильну енергію для переходу.

Фізики розробили кристали, в які включено безліч атомів торію. Хоча це було складно реалізувати технічно, кристали дозволяли вражати лазером приблизно 10¹⁷ ядер торію одночасно. Велика кількість торію посилила ефект, скоротивши необхідний час вимірювання і збільшивши ймовірність виявлення енергетичного переходу — енергії, необхідної для переходу.

Торік 21 листопада вчені вперше досягли успіху: вони підібрали правильну енергію переходу торію і зафіксували чіткий сигнал. Лазерний промінь змінив стан атомного ядра. Після ретельного вивчення та оцінки результатів інформація про відкриття опублікована у фаховому журналі Physical Review Letters.

«Атомні ядра — ідеальні квантові об'єкти для точних вимірювань: вони набагато менші за атоми та молекули. Саме тому вони менш сприйнятливі до електромагнітних полів. Тому вимірювання можна буде проводити з безпрецедентною точністю», — пояснюють автори дослідження. «Керуючи переходами, можна з рекордно високою точністю виміряти час і створити ядерний годинник. Крім того, гравітаційне поле Землі теоретично можна буде проаналізувати настільки точно, що можна буде вказати на наявність мінеральних ресурсів або землетрусів. Також цей метод підійде для перевірки незмінності фізичних констант».

Раніше ми розповідали про команду інженерів, яка створила найточніший з відомих годинників у світі і побила власний рекорд з точності хронометражу. Дослідники створили годинник з максимально високим рівнем точності. Йому знадобиться 39,15 млрд років, щоб відстати на одну секунду.