Учёные Венского технологического института (TU Wien) представили прототип ядерных часов, способных автономно корректировать собственные погрешности и функционировать более суток без какого-либо внешнего вмешательства человека. Устройство, о котором сообщается в свежей публикации в журнале Nature, использует ядерные переходы изотопа тория в качестве временного эталона, что принципиально отличает его от традиционных оптических атомных часов, опирающихся на электронные энергетические уровни. По данным издания РБК-Украина, точность прототипа составляет порядка 10 в минус пятнадцатой степени, что эквивалентно ошибке в одну секунду за 30 миллионов лет работы.
Принцип самостабилизации: почему торий стал ключом к надёжности
Любые лазерные часы измеряют время с помощью светового луча, однако температура, вибрации и другие внешние факторы способны заставить лазер незначительно сместить свою рабочую частоту, что ведёт к накоплению погрешности. Чтобы устранить эту проблему, исследователи поместили внутрь устройства специальный кристалл, содержащий атомы тория. Уникальность тория, которая интересовала физиков на протяжении десятилетий, заключается в том, что два его ядерных энергетических уровня расположены невероятно близко друг к другу. Благодаря такой конфигурации луч лазера может легко переводить ядро из одного состояния в другое, и именно это физическое явление обеспечивает самостабилизацию системы.
Как часы «слышат» отклонение лазера
Механизм саморегуляции работает по следующему принципу: ториевые ядра поглощают лазерный свет только на строго определённой частоте. Если лазер начинает отклоняться от нормы, интенсивность поглощения света немедленно падает. Часы фиксируют это снижение и автоматически корректируют работу лазера, не требуя подключения к каким-либо внешним эталонным приборам. Таким образом, устройство формирует замкнутый контур обратной связи, в котором сам ториевый кристалл выступает одновременно и объектом измерения, и инструментом калибровки.
Почему ядра надёжнее целых атомов
Исследователи подчёркивают, что главное преимущество нового подхода кроется в масштабе: атомные ядра более чем в 10 000 раз меньше целых атомов. Это означает, что они значительно слабее реагируют на внешние возмущения — электромагнитные поля, тепловые флуктуации, механические воздействия — что делает всю систему принципиально более устойчивой к дрейфу частоты. Именно поэтому ядерный эталон рассматривается как потенциальный преемник оптических атомных часов в задачах сверхточного хронометража.
Текущие ограничения и планы на будущее
Измерения, проведённые в течение одних суток, подтвердили точность прототипа на уровне примерно 10⁻¹⁵. Хотя этот результат пока уступает лучшим мировым образцам оптических атомных часов, для первого устройства данного класса он, по словам самих исследователей, является исключительно показательным. В перспективе команда намерена существенно повысить точность за счёт применения более мощных лазеров и кристаллов тория с улучшенными характеристиками чистоты и однородности. Успешная реализация этих планов может открыть путь к новому поколению временных эталонов для навигационных систем, фундаментальных физических экспериментов и синхронизации глобальных сетей.
