Исследователи из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) под руководством профессора физики Джуна Йе в сотрудничестве с Венским техническим университетом работают над созданием ядерных часов на основе тория-229. В отличие от атомных часов, которые используют переходы электронов, новые часы основаны на низкоэнергетическом переходе внутри ядра атома тория-229. Ядерные переходы менее подвержены влиянию окружающей среды, что делает такие часы потенциально более стабильными.
Группа ученых опубликовала в прошлом году статью в журнале Nature, где представила первые частотные измерения ядерного перехода тория-229 в специально разработанном кристалле. Это подтвердило возможность измерения перехода с достаточной точностью для создания надежного хронометра. В новом исследовании, отмеченном как «Выбор редактора» в Physical Review Letters, команда проанализировала, как энергетические уровни ядер тория изменялись при нагревании кристалла до различных температур.
Для разработки ядерных часов исследователи внедрили торий-229 в твердотельную основу – кристалл фторида кальция (CaF₂). Этот метод, разработанный их коллегами из Венского технического университета, обеспечивает гораздо более высокую плотность ядер тория, чем традиционные методы с использованием ионных ловушек. Чтобы изучить влияние температуры на ядерный переход, ученые охлаждали и нагревали кристалл до трех различных температур: 150K (-123°C), 229K (-44°C) и 293K (комнатная температура).
При исследовании температурных эффектов обнаружилось, что один из переходов оказался гораздо менее чувствителен к температуре, чем остальные. В полном исследованном температурном диапазоне этот переход сместился всего на 62 килогерца, что по крайней мере в 30 раз меньше, чем у других переходов. Следующим шагом команда планирует найти температурную «сладкую точку», где частота ядерного перехода останется практически полностью независимой от температуры.
Помимо создания более стабильных часов, это исследование имеет важные последствия для фундаментальной физики. Ядерный переход тория крайне чувствителен к вариациям фундаментальных сил – любое неожиданное изменение его частоты может указывать на новую физику, например, на присутствие темной материи. Таким образом, разработка может не только переопределить точность измерения времени, но и открыть двери к обнаружению новых физических явлений.