Ядерные часы на тории-229: результат команды из Вены

Физики Венского технического университета и Федерального физико-технического ведомства Германии (PTB) в Брауншвейге создали ядерные часы, которые сами удерживают частоту лазера на резонансе с ядрами тория-229. Результаты исследования опубликованы 7 октября 2026 года в журнале Nature; 10 октября о них сообщил Венский технический университет. Прототип проработал без вмешательства около суток и за это время приблизился к относительной нестабильности 10⁻¹⁵. До лучших оптических атомных часов ему пока далеко.

В обычных атомных часах эталоном служат переходы электронов между энергетическими уровнями. Венская команда использовала переход между двумя состояниями ядра тория-229. Ядра поместили в миллиметровый кристалл фторида кальция, который находился при комнатной температуре. Ультрафиолетовый лазер с длиной волны 148 нм освещал кристалл. Когда частота лазера отклонялась от резонанса, менялось поглощение света. Система фиксировала это изменение и корректировала частоту лазера с помощью обратной связи.

Чем ядерный переход интересен для часов

Ядро более чем в 10 000 раз меньше атома и слабее реагирует на некоторые внешние воздействия, которые влияют на электроны. У тория-229 есть и другая особенность: разница между двумя ядерными состояниями составляет около 8,4 электронвольта. Для ядер это необычно мало, поэтому переход можно возбуждать лазером, а не рентгеновским излучением.

Частота перехода тоже имеет значение: чем больше колебаний приходится на секунду, тем чувствительнее измерение к небольшому сдвигу. Представим два метронома: один отбивает один удар в секунду, другой намного чаще. За одинаковое время у второго набирается больше циклов, и небольшое изменение темпа легче заметить. Это только условная аналогия. В опыте измеряли частоту ядерного перехода, а не работу метронома.

Исследователи сравнивали ядерные часы с часами на одиночном ионе иттербия (Yb⁺). В режиме, ограниченном дробовым шумом, относительная нестабильность составила 3×10⁻¹²/√(τ/с), где τ обозначает время усреднения. За сутки показатель приблизился к 10⁻¹⁵. Это соответствует расчётной ошибке примерно в одну секунду за 30 миллионов лет, но испытание не длилось миллионы лет: такой срок получен пересчётом измеренной нестабильности.

Во время одного непрерывного запуска нестабильность достигала значений порядка 10⁻¹⁴. А вот воспроизводимость результатов в запусках, проведённых в разные дни, была хуже: около 5×10⁻¹³. Перед каждым запуском лазерную систему приходилось выравнивать заново, из-за чего луч проходил через немного другую область кристалла. Авторы предполагают, что неоднородность материала и локальные напряжения смещают частоту перехода.

В статье также рассматривается возможное улучшение будущих устройств: расчёты показывают, что нестабильность может приблизиться к 10⁻¹⁶/√(τ/с), то есть к уровню современных оптических атомных часов. Для этого понадобятся более мощный источник вакуумного ультрафиолета, более узкая линия перехода и более однородные кристаллы. Это прогноз, а не результат нынешнего прототипа.

Команда использовала часы и для поиска периодических изменений и медленного дрейфа энергии перехода. Такие сигналы могли бы ограничить модели ультралёгкой тёмной материи. Сигналов выше установленного порога обнаружения исследователи не нашли, но получили ограничения на возможные взаимодействия. Для такого поиска важна не только стабильность часов: нужно также знать, насколько сильно конкретный ядерный переход реагирует на изменения фундаментальных физических параметров. Для работы над публикациями по научным исследованиям существует услуга подготовки научных статей.