Ядерные часы стабилизировали с помощью атомных

Физики использовали атомные часы, чтобы уточнить частоту перехода между энергетическими уровнями в ядерных часах почти на шесть порядков. Новая экспериментальная методика приблизила создание портативных сверхточных ядерных часов. Результаты исследования ученые опубликовали в Nature.

Атомные часы используют переход между сверхтонкими уровнями основного состояния атома. Современные атомные часы достигли стабильности в 8 × 10^-19, то есть ошибка в одну секунду накапливается в таких часах за 2,5 триллиона лет. Подобные устройства помогают исследовать ученым многие фундаментальные явления, а также искать новую физику за пределами стандартной модели.

Однако атомные часы очень чувствительны к внешним условиям: электромагнитные возмущения не позволяют физикам уменьшить их размер и вынести из лаборатории для проведения экспериментов. Такого недостатка лишены ядерные часы — твердотельное устройство на основе энергетических переходов в атомном ядре. При этом сами ядерные часы требуют стабилизации и уточнения частоты, над чем и работают исследователи.

Чжан Цюанькунь (Chuankun Zhang) из Национального института стандартов и технологий (NIST) и его коллеги из Австрии, Германии, США и Швейцарии исследовали временной переход в ядре тория-229, стабилизировав процесс с помощью атомных часов на основе стронция-87.

Физики создали экспериментальную установку, в которой инфракрасная частотная гребенка стабилизировалась атомными часами на основе стронция-87, а затем с помощью генератора высших гармоник преобразовывалась в вакуумный ультрафиолет с длиной волны 148,3 нанометра и возбуждала энергетический переход в ядре тория-229. Сам атом тория ученые поместили в кристалл фторида кальция, который охладили до −123 градусов Цельсия и поместили в фокусе параболического зеркала. Это зеркало собирало переизлученные торием фотоны и направляло на фотоэлектронный умножитель для спектрального анализа.

Анализ полученных спектров позволил ученым выяснить точное значение частоты перехода между основным и возбужденным состоянием в ядре тория — 2020407384335 килогерц, что примерно на шесть порядков точнее результатов предыдущих исследований. Помимо этого, физики рассмотрели ядерную квадрупольную структуру, которая образовалась из-за взаимодействия ядра тория и сильного градиента электростатического поля ионов в кристаллической решетке фторида кальция. Они заметили на спектрограмме два слабых пика, происхождение которых пока не смогли объяснить.

Авторы исследования отметили, что их работа может ускорить создание портативных ядерных часов для прецизионных измерений, а также вдохновить материаловедов на изучение квадрупольных расщеплений, зависящих от свойств вещества.

О том, как физики измерили низкоэнергетический ядерный переход тория-229, мы писали ранее.