Вчені з Віденського технічного університету зробили важливий крок до створення нового покоління надточних годинників. Дослідники знайшли оптимальне місце в кристалічній структурі, де можна розмістити атоми торію-229. Саме ця особливість дозволила створити перший прототип ядерного годинника, який у перспективі може бути значно точнішим за сучасні атомні годинники.
За розробкою стоїть команда фізика Торстена Шумма, яка витратила понад 15 років лише на пошук і вдосконалення відповідного кристала. Результати дослідження були опубліковані в журналі Science.
Чим ядерний годинник відрізняється від атомного
Сучасні атомні годинники визначають час за переходами електронів між різними енергетичними станами. Вони лежать в основі багатьох технологій — від супутникової навігації до синхронізації фінансових систем і телекомунікацій.
Однак такі пристрої надзвичайно чутливі до зовнішніх електричних і магнітних полів. Щоб захистити їх від перешкод, у лабораторіях використовують великі вакуумні камери та складні системи екранування.
Ядерний годинник працює за іншим принципом. Замість електронів він використовує переходи енергії всередині атомного ядра. Ядро при цьому природним чином захищене електронною оболонкою, тому його стан менше залежить від зовнішніх впливів.
Для таких годинників особливий інтерес становить ізотоп торій-229. Його ядро можна переводити між енергетичними станами за допомогою ультрафіолетового лазера.
15 років пошуку правильного кристала
Головною проблемою було створити матеріал, у якому атоми торію займали б правильні позиції. Дослідники використовували кристали фториду кальцію, але з’ясували, що невдале розташування торію всередині кристалічної решітки створює неоднорідне електричне поле. Такі спотворення впливають на енергетичні переходи й можуть знижувати точність вимірювання часу.
Щоб знайти оптимальне місце, команда опромінювала кристал ультрафіолетовим лазером протягом 60 секунд, а потім вимикала його й спостерігала за випромінюванням ядер протягом наступних п’яти хвилин. Повторюючи експерименти на різних частотах, учені встановили, що торій може займати чотири різні позиції в кристалі.
Четверта виявилася найкращою: атоми в цьому положенні випромінювали світло лише на одній довжині хвилі. Саме така стабільність потрібна для роботи ядерного годинника.
Від лабораторного приладу до маленького чипа
На основі нового кристала дослідники вже створили перший прототип. У майбутньому його конструкцію планують настільки зменшити, що ядерний годинник зможе поміститися на невеликому чипі.
Це відкриває перспективи для використання надточного вимірювання часу далеко за межами великих лабораторій. Потенційними сферами можуть стати навігація, телекомунікації, наукові прилади та технології, де навіть дуже маленькі похибки синхронізації мають значення.
Команда очікує, що найближчими етапами зможе суттєво підвищити точність системи. Водночас головним завданням залишається мініатюризація — перетворення складної лабораторної технології на компактний пристрій, який можна буде використовувати у реальному світі.