Физики вырастили кристалл для ядерных часов — они будут точнее атомных в 10 раз
Как сообщается в журнале Science, физики из Венского технического университета вырастили кристалл для самых точных в истории ядерных часов. В отличие от современных громоздких установок, эти часы получатся размером с коробку для обуви. Профессор Торстен Шумм, руководитель проекта, отмечает, что точность ядерных часов превзойдёт лучшие атомные как минимум на порядок.
Современные атомные часы, отсчитывающие время по переходам электронов между энергетическими уровнями, настолько точны, что за миллиарды лет не накопили бы и секунды ошибки. Однако их инфраструктура занимает большую лабораторию с вакуумными камерами и системами экранирования от полей. Повысить точность можно, перейдя на уровень ниже — от электронов к атомному ядру и отслеживая переход, при котором меняется состояние нейтрона. Ядро само выступает естественной защитой от помех, что упрощает конструкцию.
Как вырастили кристалл и почему торий-229 уникален
В большинстве атомов энергия для переключения нейтрона соответствует гамма-излучению, но гамма-лазеров пока не существует. Исключение — торий-229, который в 2024 году удалось возбудить ультрафиолетовым лазером.
«Торий-229 — это причуда природы. Энергия его ядерного перехода аномально мала, что позволяет использовать высокочистые лазерные источники», — объясняет профессор Андрей Деревянко из Университета Невады в Рино.
Учёные искали кристаллическую структуру, которая могла бы вмещать атомы тория-229 и защищать их, чтобы отказаться от громоздких вакуумных систем. После 15 лет экспериментов группа Шумма отработала методику получения прозрачных кристаллов фторида кальция, легированных торием-229. Они выглядят как миллиметровые кубики стекла.
«В итоге это похоже на крошечный кусочек стекла, но за ним стоят десятки тысяч часов, потраченных на изучение того, как его получить», — добавляет физик.
Вырастить кристалл оказалось недостаточно — нужно было найти лучшее место для атома тория в кристаллической решётке. Исследователи облучали образец лазером на разных частотах и регистрировали испускаемый свет. Оказалось, что торий может занимать четыре положения в решётке. Три из них возвращают излучение на нескольких частотах — признак асимметрии поля. Четвёртое положение реагирует только на одну частоту, что говорит об однородном поле и делает его идеальным для часов.
Что дальше: прототип, миниатюризация и применение
На таком кристалле учёные уже собрали первые прототипы и получили патент на конструкцию, которая помещается на небольшом чипе.
«Я не буду называть сроки, когда мы превзойдём лучшие атомные часы, но к концу года мы улучшим наши текущие прототипы как минимум в тысячу раз», — обещает Шумм.
Главный приоритет сейчас — миниатюризация: уменьшить часы до размеров обувной коробки. В таком виде их можно будет устанавливать в стойки дата-центров, чтобы банковские транзакции не прерывались даже при потере спутниковой связи.