Физиците демонстрираха всички компоненти на атомен часовник - устройства, които измерват времето чрез измерване на малки енергийни измествания в рамките на атомно ядро. Такива часовници могат да доведат до значителни подобрения в прецизните измервания, както и до нови прозрения във фундаменталната физика.

Изследователите измерват честотата на светлината, която кара ядрата на редкия изотоп торий-229 да преминат към по-високо енергийно състояние - "часовника" на атомния часовник - с точност 100 000 пъти по-висока от предишната най-добра стойност. Те постигнаха това чрез синхронизиране на миграцията на енергия с часовника на най-точния часовник в света. Работата е ръководена от Jun Ye от JILA, изследователски институт в Боулдър, Колорадо, и е публикувана на 5 септември в Nature. „Това наистина е една от най-вълнуващите статии в последно време“, казва Мариана Сафронова, ядрен физик в Университета на Делауеър в Нюарк.

Пробивът дойде чрез изследване на ядрата на торий-229 с лазерно устройство, наречено честотен гребен. Технически настройката не е часовник, тъй като все още не е използвана за измерване на времето. Но такива впечатляващи резултати правят възможно разработването на атомен часовник, казва Сафронова.

Измерванията на часовника вече се оказват полезни във физиката на елементарните частици, казва Елина Фукс, теоретичен физик от университета Лайбниц в Хановер, Германия. И тъй като честотата на часовника се определя от фундаменталните сили, които държат ядрото заедно, прототипът може да определи дали вид тъмна материя - невидимо вещество, което съставлява около 85% от материята във Вселената - влияе на тези сили в малък мащаб. „Това е нов, директен прозорец към ядрената енергия“, казва Фукс.

Най-добрите часовници

Най-добрите часовници в света, наречени атомни часовници, измерват времето с помощта на лазери - честотата на светлината е прецизно настроена, за да постигне енергията, необходима за преместване на електрони между две енергийни нива в атома. Най-точният атомен часовник печели или губи само една секунда на всеки 40 милиарда години. Един атомен часовник би работил малко по-различно: часовникът би съответствал на енергийните преходи на протони и неутрони, а не на електрони, когато те навлизат във възбудено състояние.

Това енергийно изместване изисква малко по-висока ултравиолетова честота, което води до по-бързо отчитане на времето, което може да съответства или да надвишава точността на атомния часовник. Но най-голямото потенциално предимство на атомния часовник се крие в неговата комбинация от прецизност и стабилност. Частиците в ядрото са по-малко чувствителни от електроните към смущения като електромагнитни полета - което означава, че атомният часовник може да бъде преносим и здрав. „Той става десенсибилизиран по начин, който е трудно да си представим от гледна точка на това как работят нашите часовници днес“, казва Ан Къртис, експериментален физик в Националната физическа лаборатория в Тедингтън, Обединеното кралство.

Но намирането на правилния тип атомно ядро ​​за използване и определянето на честотата, необходима за преместването му в различно енергийно състояние, е 50-годишен труд за физиците. През 70-те години на миналия век косвени доказателства сочат, че торий-229 има странно нискоенергиен ядрен преход - такъв, който евентуално може да бъде предизвикан от настолна плазма. Но едва миналата година учените откриха необходимата честота - и тази година те успешно започнаха прехода с лазер.

Екипът на JILA търси честотата на прехода в трилиони атоми торий-229, вградени в кристала, използвайки система, известна като честотен гребен. Гребенът създава серия от лазерни честотни линии, които са редовно и равномерно разположени. Това позволява на изследователите да осветяват кристала на много точни честоти наведнъж, за да търсят попадение, вместо трудоемко сканиране през спектъра от възможни опции с едночестотен лазер.

Настройките на гребена - включително ширината на празнините между линиите или "зъбите" - бяха калибрирани с помощта на атомния часовник и можеха да се регулират. Екипът проведе няколко експериментални серии и докато наблюдаваха характерното сияние, което се получава, когато атомите на торий-229 се разпаднат от тяхното възбудено състояние, те използваха настройките, за да изчислят честотата, която контролира сигнала.

Наблюдаването на прехода за първи път „се почувства невероятно“, казва съавторът на изследването Chuankun Zhang, физик в JILA. „Правихме тестове цяла нощ, за да проверим дали това наистина е сигналът, който търсихме“, казва той.

Основни сили

Това, което е специално за честотния гребен, е, че позволява на физиците да измерват честотата на часовника - тук ядрото от торий-229 - като съотношение към друга известна честота, в този случай атомен часовник. Това не само позволи на екипа да определи абсолютната стойност на честотата с висока точност, но също така отвори някои интересни възможности във физиката, казва Джан.

Ако скоростта на един часовник се променя във времето спрямо друг, това може да означава, че факторите, които определят енергийните нива - като силната ядрена или електромагнитна сила - се движат или варират, казва Фукс. Смята се, че някои „леки“ форми на тъмна материя, които имат изключително ниска маса, имат този ефект, казва тя.

Всяка промяна в силите ще бъде усилена в честотата на миграцията навътре в ядрото, така че атомните часовници потенциално биха могли да бъдат около 100 милиона пъти по-чувствителни към ефектите на този тип тъмна материя от атомните часовници. Последният резултат - който определя честотата с точност до 13 знака след десетичната запетая - вече е достатъчно прецизен, за да стесни възможните енергийни диапазони, в които може да съществува светла тъмна материя, казва Фукс. Ядрената физика също може да се възползва от по-прецизната честота на прехода, която може да помогне на учените да разграничат различните възможни форми на ядрото торий-229.

Но трябва да се свърши още работа, преди атомните часовници да могат да надминат атомните часовници - които в момента са точни до 19 знака след десетичната запетая. Изследователите ще проучат дали има смисъл да се държи торий-229 вграден в кристал - твърдото вещество е удобно за направата на часовник, който може да се носи - или дали ограничаването на отделни атоми ще доведе до по-добри резултати.

Лазерната система също трябва да бъде оптимизирана. „За щастие тази невероятна техника има голям потенциал“, казва Олга Кочаровская, физик в Тексаския университет A&M в Колидж Стейшън. Това е „прототип на източника, който ще се използва в бъдещия часовник“, добавя тя.