Исследователи из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) и Национального института стандартов и технологий (NIST) под руководством профессора физики Университета Колорадо в Боулдере Джуна Е сделали важный шаг в разработке ядерных часов нового поколения. В сотрудничестве с Венским техническим университетом ученые определили, как температура влияет на ядерный переход в тории-229, который планируется использовать в качестве основы для сверхточных часов.
Ядерные часы представляют собой следующий этап эволюции после атомных часов. Вместо измерения переходов между энергетическими уровнями электронов, они используют переходы в ядре атома. Торий-229 особенно перспективен для этой цели, поскольку обладает необычно низкоэнергетическим ядерным переходом. Целью исследователей является создание часов с дробной стабильностью частоты 10^-18 при непрерывной работе, что значительно превосходит существующие атомные стандарты времени.
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters как «Выбор редактора», команда под руководством постдокторанта JILA доктора Джейкоба Хиггинса измерила, как энергетические переходы в ядрах тория меняются при различных температурах. Это критически важно для создания стабильных ядерных часов, поскольку температурные колебания могут влиять на точность измерений.
Методология эксперимента была тщательно продумана. Ученые внедрили ядра тория-229 в кристалл фторида кальция (CaF₂), разработанный специалистами Венского технического университета. Затем кристалл тестировался при трех различных температурах: 150K (-123°C) с использованием жидкого азота, 229K (-44°C) с применением смеси сухого льда и метанола, и 293K (комнатная температура). Для измерений использовался лазер с частотной гребенкой.
Ключевым открытием стало обнаружение конкретного ядерного перехода, который минимально подвержен влиянию температуры. Этот переход сместился всего на 62 килогерца в полном диапазоне температур, что как минимум в 30 раз меньше, чем у других переходов. Исследователи выявили два конкурирующих физических эффекта: расширение кристалла, изменяющее атомную решетку и градиенты электрического поля, а также изменения плотности электронного заряда, модифицирующие взаимодействия электрона с ядром.
«Мы ищем температурную 'сладкую точку', где частота перехода остается практически полностью независимой от температуры,» — объясняет Джун Е. Исследователи предполагают, что эта точка находится где-то между 150K и 229K.
Для проведения экспериментов инструментальный цех JILA создал специальное оборудование, включая крепление для кристалла и систему холодной ловушки. Значительный вклад в разработку внесли Ким Хаган и команда инструментального цеха.
Потенциальные применения ядерных часов выходят далеко за рамки просто более точного измерения времени. Они могут использоваться для улучшения GPS-навигации, проведения фундаментальных физических исследований и даже тестирования теорий за пределами Стандартной модели физики. Благодаря высокой чувствительности к вариациям фундаментальных сил, такие часы потенциально способны обнаруживать присутствие темной материи.
Твердотельный подход, используемый командой, имеет дополнительные преимущества: более высокую плотность ядер тория, более сильные сигналы и лучшую стабильность по сравнению с другими методами. Аспиранты JILA Чуанкун Чжан и Тиан Уи также внесли значительный вклад в исследование, работая над различными аспектами эксперимента.
Это исследование продолжает прошлогоднее достижение той же группы, когда они впервые провели основанное на частоте измерение ядерного перехода тория-229 с разрешением по квантовым состояниям, результаты которого были опубликованы в журнале Nature. Нынешний прогресс приближает нас к созданию ядерных часов, которые могут стать новым стандартом точности в измерении времени.
Изображение носит иллюстративный характер
Ядерные часы представляют собой следующий этап эволюции после атомных часов. Вместо измерения переходов между энергетическими уровнями электронов, они используют переходы в ядре атома. Торий-229 особенно перспективен для этой цели, поскольку обладает необычно низкоэнергетическим ядерным переходом. Целью исследователей является создание часов с дробной стабильностью частоты 10^-18 при непрерывной работе, что значительно превосходит существующие атомные стандарты времени.
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters как «Выбор редактора», команда под руководством постдокторанта JILA доктора Джейкоба Хиггинса измерила, как энергетические переходы в ядрах тория меняются при различных температурах. Это критически важно для создания стабильных ядерных часов, поскольку температурные колебания могут влиять на точность измерений.
Методология эксперимента была тщательно продумана. Ученые внедрили ядра тория-229 в кристалл фторида кальция (CaF₂), разработанный специалистами Венского технического университета. Затем кристалл тестировался при трех различных температурах: 150K (-123°C) с использованием жидкого азота, 229K (-44°C) с применением смеси сухого льда и метанола, и 293K (комнатная температура). Для измерений использовался лазер с частотной гребенкой.
Ключевым открытием стало обнаружение конкретного ядерного перехода, который минимально подвержен влиянию температуры. Этот переход сместился всего на 62 килогерца в полном диапазоне температур, что как минимум в 30 раз меньше, чем у других переходов. Исследователи выявили два конкурирующих физических эффекта: расширение кристалла, изменяющее атомную решетку и градиенты электрического поля, а также изменения плотности электронного заряда, модифицирующие взаимодействия электрона с ядром.
«Мы ищем температурную 'сладкую точку', где частота перехода остается практически полностью независимой от температуры,» — объясняет Джун Е. Исследователи предполагают, что эта точка находится где-то между 150K и 229K.
Для проведения экспериментов инструментальный цех JILA создал специальное оборудование, включая крепление для кристалла и систему холодной ловушки. Значительный вклад в разработку внесли Ким Хаган и команда инструментального цеха.
Потенциальные применения ядерных часов выходят далеко за рамки просто более точного измерения времени. Они могут использоваться для улучшения GPS-навигации, проведения фундаментальных физических исследований и даже тестирования теорий за пределами Стандартной модели физики. Благодаря высокой чувствительности к вариациям фундаментальных сил, такие часы потенциально способны обнаруживать присутствие темной материи.
Твердотельный подход, используемый командой, имеет дополнительные преимущества: более высокую плотность ядер тория, более сильные сигналы и лучшую стабильность по сравнению с другими методами. Аспиранты JILA Чуанкун Чжан и Тиан Уи также внесли значительный вклад в исследование, работая над различными аспектами эксперимента.
Это исследование продолжает прошлогоднее достижение той же группы, когда они впервые провели основанное на частоте измерение ядерного перехода тория-229 с разрешением по квантовым состояниям, результаты которого были опубликованы в журнале Nature. Нынешний прогресс приближает нас к созданию ядерных часов, которые могут стать новым стандартом точности в измерении времени.
