Эта идея не нова в лаборатории Ye. Фактически, работа в лаборатории над ядерными часами началась с эпохального эксперимента, результаты которого были опубликованы в качестве сопроводительной статьи журнала Nature в прошлом году, где команда провела первое основанное на частоте измерение ядерного перехода торий-229 с разрешением квантового состояния в легированном торием носителе кристалл. Это достижение подтвердило, что ядерный переход тория может быть измерен с достаточной точностью, чтобы его можно было использовать в качестве отсчета времени.

Однако, чтобы создать точные часы, исследователи должны полностью охарактеризовать, как переход реагирует на внешние условия, включая температуру. Вот тут-то и появляется это новое исследование - статья "Выбор редактора", опубликованная в Physical Review Letters, поскольку команда изучала энергетические сдвиги в ядрах тория, когда кристалл, содержащий атомы, нагревался до различных температур.

"Это первый шаг к характеристике систематики ядерных часов", - говорит постдокторский исследователь JILA доктор Джейкоб Хиггинс, первый автор исследования. "Мы нашли переход, который относительно нечувствителен к температуре, а это именно то, что нам нужно для точного хронометражного устройства".

"Твердотельные ядерные часы обладают огромным потенциалом для того, чтобы стать надежным и портативным хронометражным устройством с высокой точностью", - отмечает Чжун Йе. "Мы ищем пространство параметров для компактных ядерных часов, позволяющих поддерживать стабильность частоты в 10-18 дробей для непрерывной работы".

Точность ядерных часов

Поскольку ядро атома меньше подвержено влиянию возмущений окружающей среды, чем его электроны, ядерные часы могли бы сохранять точность в условиях, когда атомные часы давали бы сбои, поскольку часы более устойчивы к шуму. Среди всех других ядер торий-229 особенно хорошо подходит для этого, поскольку он обладает ядерным переходом с необычно низкой энергией, что позволяет проводить зондирование ультрафиолетовым лазерным излучением, а не высокоэнергетическими гамма-лучами.

В отличие от измерения тория в системе захваченных ионов, лаборатория Ye использовала другой подход: внедрила торий-229 в твердотельный носитель - кристалл фторида кальция (caf₂). Этот метод, разработанный их коллегами из Венского технического университета, позволяет получить гораздо более высокую плотность ядер тория, чем традиционные методы ионной ловушки. Большее количество ядер означает более сильные сигналы и лучшую стабильность для измерения ядерного перехода.

Нагрев ядерных часов

Чтобы посмотреть, как температура влияет на этот ядерный переход, исследователи одновременно охлаждали и нагревали кристалл, легированный торием, до трех различных температур: 150 К (-123°C) жидким азотом, 229 К (-44°C) смесью сухого льда и метанола и 293 К (около комнатной температуры). Используя частотный гребенчатый лазер, они измерили, как смещается частота ядерного перехода при каждой температуре, выявив два конкурирующих физических эффекта внутри кристалла.

С одной стороны, когда кристалл нагревался, он расширялся, слегка изменяя атомную решетку и смещая градиенты электрического поля, испытываемые ядрами тория. Этот градиент электрического поля привел к тому, что переход тория разделился на множество спектральных линий, которые смещались в разных направлениях при изменении температуры. Второй эффект заключается в том, что расширение решетки также изменило плотность заряда электронов в кристалле, изменив силу взаимодействия электронов с ядром и заставив спектральные линии двигаться в одном направлении.

Поскольку эти два эффекта боролись за контроль над атомами тория, было обнаружено, что один конкретный переход гораздо менее чувствителен к температуре, чем другие, поскольку два эффекта в основном нейтрализуют друг друга. Во всем исследованном диапазоне температур этот переход сместился всего на 62 килогерца, что по меньшей мере в 30 раз меньше, чем при других переходах.

"Этот переход ведет себя действительно многообещающим образом для приложений clock", - добавляет Чуанкун Чжан, аспирант JILA. "Если мы сможем стабилизировать его еще больше, это может по-настоящему изменить правила игры в точном хронометражировании".

В качестве следующего шага команда планирует найти температурную "золотую середину", при которой ядерный переход остается почти полностью независимым от температуры. Их первоначальные данные свидетельствуют о том, что где-то между 150 К и 229 К частоту перехода было бы еще легче стабилизировать по температуре, обеспечивая идеальные условия работы будущих ядерных часов.

Настройка системы ядерных часов

Для создания совершенно нового типа часов требуется уникальное в своем роде оборудование, большая часть которого не существует на требуемом уровне кастомизации. Благодаря инструментальному цеху JILA - с его машинистами и инженерами - команда смогла создать важнейшие компоненты для своего эксперимента.

"Ким Хаган и весь инструментальный цех были очень полезны на протяжении всего этого процесса", - отмечает Хиггинс. "Они обработали крепление кристалла, в котором находится кристалл, легированный торием, и построили части системы холодной ловушки, которые позволили нам точно контролировать температуру".

Наличие собственного опыта в области механической обработки позволило исследователям быстро выполнять итерации по проектам и гарантировать, что даже небольшие изменения - такие как замена кристалла - могут быть выполнены с легкостью.

"Если бы мы использовали только готовые детали, у нас не было бы такого уровня уверенности в нашей установке", - добавляет аспирант JILA Тиан Оой, другой член команды. "Изготовленные на заказ детали из магазина инструментов экономят нам так много времени".

Ощущение вне времени

Хотя основной целью этого исследования является разработка более стабильных ядерных часов, его последствия выходят за рамки хронометража. Ядерный переход тория очень нечувствителен к возмущениям в окружающей его среде, но очень чувствителен к изменениям фундаментальных сил - любое неожиданное изменение его частоты может указывать на новые физические явления, такие как присутствие темной материи.

"Чувствительность ядерного перехода могла бы позволить нам исследовать новую физику", - объясняет Хиггинс. "Помимо простого создания более совершенных часов, это могло бы открыть двери для совершенно новых способов изучения Вселенной".

Это исследование было поддержано Исследовательским управлением армии, Управлением научных исследований ВВС, Национальным научным фондом, ускорителем квантовых систем и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).