Атомные часы измеряют время настолько точно, что они прибавляют или теряют менее секунды каждые 30 миллиардов лет. С помощью так называемых ядерных часов можно было бы измерять время еще более точно. Более того, они позволили бы ученым глубже проникнуть в фундаментальные физические явления. "Мы говорим о силах, которые удерживают мир в его ядре", - говорит профессор физики LMU Питер Тирольф, который много лет занимается исследованиями ядерных часов. В отличие от обычных атомных часов, этот тип часов регистрировал бы силы внутри атомного ядра. "Это открыло бы целый ряд областей исследований, которые никогда нельзя было бы исследовать с помощью атомных часов", - добавляет коллега Тирольфа доктор Сандро Кремер, который сыграл важную роль в продвижении проекта, когда заканчивал докторскую степень в университете Левена в Бельгии.

В гонке за ядерным временем Тирольф и Кремер лидируют. Работая на кафедре экспериментальной физики в Гархинге, два ученых в настоящее время в составе международной команды добились важного прогресса на пути к созданию первых ядерных часов. Как они сообщают в журнале Природа, им удалось охарактеризовать энергию возбуждения тория-229 с большой точностью благодаря новому экспериментальному подходу. Это атомное ядро в будущем будет использоваться в качестве элемента хронометража ядерных часов. Точное знание того, какая частота необходима для возбуждения, имеет решающее значение для практической реализации технологии.

Самые сокровенные часы

Для часов вам нужно что-то, что периодически совершает колебания, и что-то, что подсчитывает колебания. Напольные часы имеют механический маятник, колебания которого регистрируются часовым механизмом. В атомных часах атомная оболочка выполняет функцию хронометриста. Электроны возбуждаются и переключаются между высоким и низким уровнями энергии. Затем необходимо подсчитать частоту световых частиц, испускаемых атомом, когда возбужденные электроны возвращаются в свое основное состояние.

В ядерных часах основной принцип очень похож. В этом случае мы проникаем в ядро атома, где также можно обнаружить различные энергетические состояния. Если бы нам удалось точно возбудить их с помощью лазера и измерить излучение, испускаемое ядром при возвращении в его основное состояние, тогда у нас были бы ядерные часы. Трудность заключается в том, что из всех известных науке атомных ядер есть только одно, которое могло бы подойти для этой цели: торий-229. И даже это долгое время было чисто теоретическим.

Ядро, не похожее ни на какое другое

Что делает торий-229 таким особенным, так это то, что его ядро можно перевести в возбужденное состояние, используя относительно низкую частоту излучения - частоту, практически достижимую с помощью ультрафиолетовых лазеров. Исследования застопорились на 40 лет, потому что, хотя ученые подозревали, что атомное ядро с нужными характеристиками существует, они не смогли экспериментально подтвердить эту гипотезу. А затем, в 2016 году, исследовательская группа Тирольфа в LMU совершила прорыв, когда они напрямую подтвердили возбужденное состояние ядра тория-229. Это дало старт гонке за ядерными часами. Тем временем многие группы по всему миру занялись этой темой.

Чтобы часы заработали, элемент хронометража и часовой механизм должны быть идеально настроены друг на друга. В случае с ядерными часами это означает, что вам нужно знать, с какой точной частотой колеблется атомное ядро тория-229. Только тогда вы сможете разработать лазеры, которые возбуждают именно эту частоту. "Вы можете представить себе это как камертон", - объясняет Кремер. "Как музыкальный инструмент пытается подстроиться под частоту камертона, так и лазер пытается попасть на частоту ядра тория".

Если бы вы опробовали все возможные частоты с помощью разных лазеров, это заняло бы целую вечность. Не говоря уже о том, что сначала пришлось бы кропотливо разрабатывать лазеры в соответствующем спектре ультрафиолетового излучения. Поэтому, чтобы сузить диапазон, в котором находится частота колебаний тория-229, исследователи пошли другим путем. "Природа иногда бывает милостива и предлагает нам различные маршруты", - говорит Тирольф. Так уж получилось, что лазеры - не единственный способ вызвать возбужденное состояние ядра тория. Это также происходит, когда радиоактивные ядра распадаются на торий-229. "Итак, мы начнем, так сказать, с бабушек и прадедушек тория".

ИЗОЛЬДА прокладывает новые пути

Эти предки называются франций-229 и радий-229. Поскольку ни то, ни другое легко встречается в природе, их приходится производить синтетическим путем. В настоящее время в мире очень мало мест, которые способны это сделать. Одной из них является лаборатория ISOLDE при Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, которая осуществила давнюю мечту алхимиков - превратить один элемент в другой. Чтобы достичь этого, ученые бомбардируют ядра урана протонами, разогнанными до чрезвычайно высоких скоростей, тем самым производя различные новые ядра, включая франций и радий. Эти элементы быстро распадаются на радиоактивное родительское ядро тория-229: актиний-229.

Кремер, Тирольф и их международные коллеги поместили этот искусно изготовленный актиний в специальные кристаллы, где актиний распадается на торий в возбужденном состоянии. Когда торий возвращается в свое основное состояние, он испускает легкие частицы, частота которых так важна для разработки ядерных часов. Однако продемонстрировать это - задача не из тривиальных. "Если ядра располагаются не совсем в нужном месте кристалла, у нас нет никаких шансов", - говорит Кремер. "Электроны в окружающей среде поглощают энергию, и ничто из того, что мы можем измерить, не выводит ее наружу".

Предыдущие попытки вставить уран в кристаллическую решетку вместо актиния потерпели неудачу из-за этого препятствия. "Когда уран-233 распадается на торий-229, возникает отдача, которая сеет хаос в кристалле", - объясняет Тирольф. Распад актиния на торий, напротив, наносит гораздо меньший ущерб, именно поэтому исследователи выбрали этот трудоемкий путь для нового исследования в сотрудничестве с ЦЕРНОМ.

Тяжелая работа и терпение окупились: с помощью своего нового метода команда смогла очень точно определить энергию перехода состояния. Они также продемонстрировали, что ядерные часы на основе тория, встроенного в кристалл, вполне осуществимы. Такие твердотельные часы имели бы преимущество перед другими подходами в том, что они давали бы результаты измерений гораздо быстрее, поскольку работают с большим числом атомных ядер.

Это вопрос времени

"Теперь мы знаем приблизительную длину волны, которая нам нужна", - говорит Тирольф. Следующей задачей будет использование новых результатов для постепенного определения точной энергии перехода. Сначала исследователи создадут возбуждение с помощью лазера. И тогда они смогут продолжать самонаводиться на частоту с возрастающей точностью с помощью более точных лазеров. Чтобы это не заняло слишком много времени, они используют, так сказать, не пинцет для поиска иголки в стоге сена, а грабли. Эти "грабли" называются "частотной гребенкой" и были разработаны коллегой Тирольфа по LMU профессором Теодором Хеншем, который получил Нобелевскую премию по физике в 2005 году за это достижение. Ученые могут использовать гребенку для одновременного сканирования сотен тысяч длин волн, пока не найдут нужную.

На пути к созданию ядерных часов остаются некоторые проблемы. Ученые должны лучше понять изомер тория, разработать лазеры, разработать теории. "Но стоит придерживаться выбранного курса", - считает Тирольф. "Проект открывает такое множество новых прикладных возможностей в долгосрочной перспективе, что это стоит всех экспериментальных усилий", - добавляет Кремер. Эти новые возможности охватывают не только фундаментальные физические исследования, но и практическое применение. С помощью ядерных часов ученые могли бы обнаруживать мельчайшие изменения в гравитационном поле Земли, например, возникающие при смещении тектонических плит или перед извержениями вулканов. С новыми успехами приз находится на расстоянии вытянутой руки. Первые прототипы могут появиться здесь менее чем через десять лет. "Возможно, мы даже подготовим их к переопределению второго в 2030 году", - надеются оба физика. Они имеют в виду планы разработать новое, более точное стандартное определение секунды, для которого ученые будут использовать самые современные атомные часы - и, возможно, даже первые ядерные часы.