Две независимые группы физиков почти одновременно объявили о создании первых в мире ядерных часов — нового типа сверхточных хронометров. В отличие от современных атомных часов, которые основаны на переходах электронов, эти устройства функционируют на основе колебаний энергии атомного ядра.
Все часы основаны на тех или иных устойчивых колебаниях — от движения маятника до частоты света. В оптических атомных часах, которые в настоящее время задают официальную длину секунды, частота лазерного света выполняет роль маятника, точно соответствуя переходу электронов между уровнями в атоме. Ядерные часы работают иначе: лазер активирует переход не электронов, а протонов и нейтронов в ядре изотопа тория‑229.
Обычно ядерные уровни имеют большое расстояние по энергии, и для их возбуждения требуются гамма‑кванты. Однако торий‑229 — уникальное исключение: у него есть пара ядерных состояний, близких по энергии, что позволяет вызвать переход с помощью ультрафиолетового лазера. Физики подозревали это многие годы, но лишь в 2024 году удалось вначале запустить такой переход в кристалле фторида кальция с триллионами ядер тория, а затем точно измерить его частоту. Это открыло путь к созданию настоящих ядерных часов.
Ключевой задачей оставалось «привязать» частоту лазера к ядерному переходу, чтобы он обеспечивал стабильный «тик-так». Обе команды — как из Европы, так и из Китая — решили эту задачу схожим образом: они наблюдали, насколько сильно кристалл с торием поглощает лазерный свет. Когда частота лазера точно совпадает с резонансом, сигнал «проваливается» — фотоны активно поглощаются. Если частота немного изменяется, поглощение ослабевает, и система сразу же подстраивает лазер обратно. Таким образом, удается постоянно поддерживать «маятник» на нужной частоте.
Европейская команда под руководством Торстена Шумма (Технический университет Вены) использовала кристалл с более высокой концентрацией тория и относительно слабый лазер; китайская группа под руководством Шицяня Дина (Университет Цинхуа, Пекин) выбрала мощный лазер и более бедный торием кристалл. В результате оба подхода дали сигнал сопоставимого качества.
Первые ядерные часы уже показывают впечатляющую стабильность: за сутки их работа дрейфует эквивалентно примерно одной секунде на три миллиона лет. Пока это хуже лучших оптических атомных часов (около одной секунды на 40 миллиардов лет), но важно то, что ядерный принцип действительно оказался работоспособным на практике, а не остался лишь теоретической концепцией.
У ядерных часов на кристаллах есть несколько потенциальных преимуществ. Ядра значительно меньше реагируют на внешние поля и колебания, чем электронные оболочки, а кристаллы можно использовать без экстремального охлаждения. Это делает их перспективными кандидатами на создание компактных и более устойчивых эталонов времени для навигации и связи.