Исследователи из Венского центра квантовых наук и технологий совместно с немецкими коллегами создали и запустили первые в мире твердотельные ядерные часы. Прибор работает на основе изотопа торий-229, встроенного в кристалл, и способен фиксировать время с невероятной точностью, реагируя на изменения базовых законов физики. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
В отличие от привычных атомных часов, которые отсчитывают время по перемещению электронов, новая система использует колебания энергии в самом ядре атома. Ядро тория-229 обладает уникальным свойством: его можно перевести на особый, очень низкий уровень энергии с помощью лазера. Ученые поместили частицы изотопа в миллиметровый кристалл фторида кальция при комнатной температуре и направили на него специальный ультрафиолетовый лазер. В результате была создана система с обратной связью, где лазер самостоятельно подстраивается под частоту ядерного перехода.
Главная особенность новинки заключается в ее повышенной чувствительности к внешним воздействиям. Поскольку энергия ядра тория-229 сильно зависит от базовых констант Вселенной, часы могут улавливать даже слабейшие их колебания. Авторы работы уже использовали новый прибор для поиска ультралегкой темной материи — невидимого вещества, из которого состоит большая часть массы во Вселенной. В течение суток устройство анализировало данные, пытаясь найти периодические всплески или медленный дрейф энергии. Хотя темную материю обнаружить не удалось, ученые смогли установить новые жесткие ограничения на то, как она может взаимодействовать с привычным светом и сильным ядерным взаимодействием.
По словам авторов исследования, новый подход к высокоточному контролю времени сочетает стабильность с высокой чувствительностью к изменению фундаментальных постоянных. За сутки непрерывной работы устройству удалось достичь рекордной стабильности. В будущем разработчики планируют увеличить мощность лазерной системы, что позволит улучшить этот показатель еще на несколько порядков и сравнять часы с лучшими квантовыми эталонами. При этом прибор не требует сложного охлаждающего оборудования и остается стабильным даже при небольших перепадах температуры.
Идея создания часов на тории-229 была предложена физиками еще в 2003 году. На практике реализовать этот проект оказалось крайне сложно: ученым потребовалось более 20 лет, чтобы точно измерить энергию ядерного перехода и создать подходящие лазеры. Первые успешные попытки возбуждения ядра тория лазером были зафиксированы лишь в 2024 году. Теперь же исследователи смогли обойти ограничения, связанные с долгим временем жизни возбужденного ядра, и превратить теоретическую концепцию в работающий прибор.
Ранее физики нашли способ создать темную материю буквально из пустоты.