Это стало возможным благодаря особенности перехода в ядре тория-229
Австрийские и немецкие физики впервые зарегистрировали возбуждение ядерного перехода тория-229 по поглощению лазерного света, а не по последующему свечению ядра, для этого потребовался маломощный непрерывный лазер на длине волны 148 нанометров мощностью в десятки пиковатт. Созданный учеными метод может в будущем позволить ядерным часам конкурировать с атомными. Работа опубликована в журнале Nature.
Классические атомные часы отсчитывают время по частоте перехода электрона между двумя уровнями энергии в атоме. Проблема в том, что электронная оболочка — это буквально внешняя часть атома, и она чувствительна к различным внешним воздействиям: к электромагнитным полям, к тепловому излучению, к столкновениям. В таком случае спасением могли бы стать ядерные часы. Ядро в тысячи раз меньше атома и надежно «укутано» слоями электронных оболочек, поэтому его собственная частота почти не должна реагировать на внешние раздражители, а следовательно, такие часы устойчивее на порядки. Проблема в том, что у подавляющего большинства ядер энергия таких переходов — это кило- и мегаэлектронвольты, то есть гамма-диапазон, а лазеров на гамма-излучении на данный момент нет, а если бы и были, то они потребляли куда больше энергии и, вероятно, требовали более сложной инфраструктуры для поддержания работы.
Решение виделось в тории-229, ведь он единственное известное исключение: у него есть аномально низкий переход всего на 8,4 электронвольта, а это уже длина волны обычного, хоть и глубокого ультрафиолета, то есть его можно возбуждать вполне доступным лазером. До сих пор для возбуждения ядра в кристалле использовали импульсные источники вакуумно‑ультрафиолетового излучения, но проблема была в том, что лишь малая доля фотонов попадала точно в резонанс с очень узким ядерным переходом. Возбуждение регистрировали по свечению кристалла после облучения, однако возбужденное состояние тория-229 живет в кристалле необычно долго, около 600 секунд, поэтому на каждый цикл измерения уходило много времени на ожидание, пока ядра высветятся и вернутся в основное состояние.
Эккехард Пайк (Ekkehard Peik) из Физико-технического федерального института в Брауншвейге с коллегами из Технического университета Вены собрал непрерывный узкополосный твердотельный лазер на 148 нанометрах и заставил его работать на прямое поглощение. Излучение с длиной волны 1187 нанометров сначала преобразовывали по частоте в глубокий ультрафиолет 296,8 нанометра, а затем финальным шагом генерации второй гармоники в кристалле тетраборита стронция удваивали еще раз, получая луч на 148,4 нанометра. Такая сложная схема требовалась потому, что данный лазер нельзя получить прямым путем ввиду отсутствия подходящих оптических материалов, не поглощающих данное излучение. После потерь на зеркалах и в самом кристалле до образца доходило всего около 70 пиковатт, что в сотни раз меньше мощности лазерной указки. Однако даже такой мощности хватило, чтобы напрямую измерить, сколько света поглощает ядро тория. Для этого ученые пропускали лазер сквозь кристалл фторида кальция с примесью тория-229 и отслеживали ослабление луча на выходе.
Исследователям удалось пронаблюдать интересное явление. В кристалле проявились две разных кристаллических структуры тория, дающих слегка отличающиеся частоты перехода: D-центр и O-центр. D-центр — это димер из атомов тория с пониженной, диэдральной симметрией окружения. Для него авторы обнаружили пять отдельных линий, соответствующих переходам между разными уровнями углового момента ядра, шириной от 339 до 472 килогерц. O-центр — одиночный атом тория в позиции с гораздо более высокой, октаэдрической симметрией окружающих ионов, в спектре он дает единственную нерасщепленную линию шириной 1,1 мегагерца. Частоты двух центров отличаются на 3,99 мегагерца — это изомерный сдвиг, отражающий разную электронную плотность на ядре в двух типах окружения. Измеренное значение неплохо совпало с независимым расчетом методом теории функционала плотности, подтверждая предложенные структурные модели обоих центров.
Особенно интересен O-центр с точки зрения потенциальных будущих часов: из ширины и формы его линии авторы оценили верхнюю границу градиента электрического поля на ядре тория — меньше 0,1 вольта на квадратный ангстрем, тогда как для D-центра он составляет около 100 вольт на квадратный ангстрем. Это означает, что частота перехода в O-центре почти не должна зависеть от небольших искажений кристаллической решетки, а значит, кристаллы с таким центром окажутся более устойчивыми.
Главный практический выигрыш нового метода это, конечно, скорость. Если в предыдущих экспериментах физикам приходилось ожидать люминесценции крайне долго, что никак не позволило бы ядерным часам конкурировать с атомными, то с новым методом принципиально меняются правила игры. Теперь поглощение будет измеряться в несколько раз быстрее, поэтому цикл детектирования сократился на два порядка по сравнению с флуоресцентным методом. По оценке авторов, увеличив длину кристалла и поместив его в оптический резонатор, а также подняв мощность вакуумно-ультрафиолетового лазера, можно будет выиграть больше двух порядков в стабильности. А это означает, что в перспективе можно достичь нестабильности не хуже 10-16, что уже будет только на 2–3 порядка хуже современных оптических атомных часов.
Ядерные часы могут помочь подтвердить наличие темной материи, так как по одной из гипотез ядерные часы с ней взаимодействуют, в отличие от атомных. И если Земля в процессе пролета через галактику будет чередовать области с темной материей и без нее, то ядерные часы рассинхронизируются с атомными. Однако есть и другие способы детектирования темной материи. Совсем недавно мы писали про то, как детектор LUX-ZEPLIN зарегистрировал ее возможный след.