Аннотация:
Исследователи из Венского технического университета и Немецкого федерального физико-технического института опубликовали экспериментальные результаты в журнале Nature, продемонстрировав первый прототип ядерных часов, которые могут автоматически корректировать частоту лазера, используя собственный сигнал ядерного перехода. В качестве эталона времени он использует переход энергетического уровня атомного ядра тория-229, и экспериментальное устройство стабильно работает более 24 часов без ручного вмешательства. Однако «разница в одну секунду за 30 миллионов лет» в отчете — это преобразование изображения индекса точности. Это не означает, что часы измерялись десятки миллионов лет, и это не означает, что это устройство достигло самого высокого уровня, доступного в настоящее время.
Традиционные атомные часы обычно используют переходы энергетических уровней электронов во внешнем слое атомов для измерения времени; ядерные часы помещают опорный сигнал внутри ядра. Торий-229 имеет низкоэнергетический ядерный переход около 8,4 электронвольта, который можно возбудить вакуумным ультрафиолетовым лазером с длиной волны около 148 нанометров. Исследовательская группа внедрила ионы тория в кристаллы фторида кальция миллиметрового размера, облучала их непрерывным лазерным светом при комнатной температуре и измеряла поглощение лазерного света кристаллом, чтобы определить, отклоняется ли частота от точки резонанса, а затем использовала петлю обратной связи для автоматической регулировки лазерного света. Изменения сигнала поглощения ядерного перехода можно обнаружить за более короткое время, преодолевая предыдущие трудности, связанные с считыванием флуоресценции и медленной обратной связью.
Команда заявила, что потенциальным преимуществом этого решения является то, что атомное ядро намного меньше атома в целом и теоретически менее восприимчиво к внешним возмущениям; Ожидается, что в будущем ядерные часы станут более надежным эталоном частоты и будут использоваться для точных измерений и проверки основных физических законов. Однако измеренные характеристики нынешнего прототипа все еще далеки от лучших, чем у самых совершенных оптических атомных часов. В статье сообщается, что относительная нестабильность частоты при одной непрерывной операции находится в пределах 10⁻¹⁴ порядка, а воспроизводимость частоты между операциями в разные даты составляет около 5×10⁻¹³. После интуитивного преобразования результатов статьи Американское физическое общество считает, что измеренная нестабильность Венских часов примерно эквивалентна ошибке в одну секунду каждые 3 миллиона лет. Венский технический университет оценивает ее примерно в 30 миллионов лет в секунду, используя показатель, близкий к 10⁻¹⁵. Показатели и условия работы, соответствующие двум преобразованиям, не совсем одинаковы, поэтому «одну секунду за 30 миллионов лет» не следует рассматривать как доказанную абсолютную точность или прямой эквивалент лучшим атомным часам.
Исследовательская группа использовала этот набор ядерных часов для поиска изменений в энергии ядерного перехода, которые могут быть вызваны сверхлегкой темной материей. Никакого существенного сигнала не было обнаружено в масштабе времени наблюдения от 20 секунд до одного дня, но полученные на этом основании пределы могут конкурировать с некоторыми экспериментами с атомными часами. В том же выпуске журнала Nature также был опубликован еще один набор ядерных часов из тория-229, независимо разработанных командой из Университета Цинхуа, показывающий, что это направление движется от измерения спектра ядерного перехода к реальным устройствам измерения времени. Два прототипа по-прежнему представляют собой прецизионное экспериментальное оборудование, и последующие усовершенствования потребуют более мощных вакуумных ультрафиолетовых лазеров, более стабильных и однородных кристаллов, а также лучшей воспроизводимости частоты в разных партиях.
Комментарии