Исследователи из Технологического института Джорджии, Невадского университета в Рено (оба — США) и Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) представили технологию создания ядерных часов, которые будут ошибаться не более чем на 0,1 с за 14 млрд лет. В качестве основы суперчасов планируется использовать ядро одного-единственного атома тория.

Мы уже писали о том, что почти все современные физические эксперименты нуждаются в сверхточных атомных часах (впрочем, без них не могут обойтись и глобальные навигационные системы). Однако реализация такой задачи — дело непростое. Существующие конструкции имеют точность, превосходящую все остальные виды часов, но для многих важных экспериментов и этого мало. Авторы нового ядерного хронометра собираются превзойти предшествующие модели по точности не менее чем в 100 раз. Кроме существенного улучшения экспериментальных средств в современной физике, это сулит повышение точности систем типа ГЛОНАСС и GPS, что имеет огромное значение как для высокоточного оружия, так и для ряда сугубо мирных приложений.

Электромагнитная ловушка для удержания одиночного атома тория (здесь и ниже фото Kuzmich Group).

Современные атомные часы используют для измерения времени колебания электронов в атомах, искусственно вызываемые лазерными импульсами. Однако сторонние электромагнитные силы могут влиять на такие приборы, доводя их накапливающуюся ошибку до четырёх секунд за 14 млрд лет (время существования известной Вселенной).

Исследователи намерены справиться с этой проблемой, используя в качестве «маятника» нейтрон. Он намного тяжелее электрона, и сторонние воздействия на него приведут к радикально меньшим ошибкам на протяжении бóльших отрезков времени. Напрямую это невозможно, однако, ориентируя электроны довольно своеобразным способом, можно использовать в качестве маятника нейтрон из атомного ядра.

Для этого исследователям понадобится лазер, работающий с волнами в районе петагерца (1015 Гц), который будет воздействовать на ядро атома тория-229. Именно частота лазерного импульса станет основой для одного «хода маятника» в разрабатываемых ядерных часах. При этом сам атом тория придётся всё время содержать при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (не выше десятков микрокельвинов). И здесь кроется проблема: обычно добиться таких температур позволяет только лазерное же охлаждение, которое, естественно, собьёт с ритма атом тория-229. Чтобы решить эту задачу, предлагается охлаждать его не напрямую, а посредством чрезвычайно близко расположенного атома тория-232, который и будет охлаждаться лазерным способом (уже на другой частоте).

Основным вопросом, стоящим сегодня перед разработчиками, является правильное определение частоты лазерного излучения для «заводки маятника». Тем не менее они полагают этот вопрос решаемым и надеются в ближайшее время перейти к воплощению задуманного на практике.

Обычно лазерное охлаждение (охлаждаемый образец на фото светится) — единственный способ достижения температур, столь близких к абсолютному нулю.