Фізики створили новий тип годинника, який працює на ядрі атома
Фізики вперше запустили оптичний ядерний годинник, який використовує не переходи електронів між орбіталями, а коливання ядра атома торію-229, пише Science in 5.
Дослідники поєднали ультрафіолетовий лазер із ядерним переходом торію-229, вбудованого у твердотільний кристал. Система змогла безперервно синхронізувати частоту за допомогою зворотного зв'язку.
Результати двох незалежних досліджень одночасно опублікували в журналі Nature у жовтні 2026 року.
Це важливий крок до створення нового покоління надточних годинників, які в майбутньому можуть використовуватися не лише для вимірювання часу, а й для фундаментальних фізичних експериментів.
Як працює ядерний годинник
Сучасні найточніші оптичні атомні годинники використовують переходи електронів між енергетичними рівнями атомів.
Ядерний годинник працює за іншим принципом. Його «маятником» фактично стає атомне ядро.
У випадку нового експерименту фізики використовували ізотоп торій-229. Його ядро має надзвичайно низькоенергетичний перехід, який можна порушити за допомогою лазера.
Для цього потрібне випромінювання у вакуумному ультрафіолеті з довжиною хвилі приблизно 148 нанометрів. Енергія відповідного переходу становить близько 8,4 еВ.
Це і є ключова особливість торію-229: серед відомих ядерних переходів він має незвично низьку енергію.
Більшість ядерних переходів потребують значно більш енергійного рентгенівського або гамма-випромінювання, з яким набагато складніше працювати як із «маятником» для годинника.
Торій-229 заховали всередині кристала
У новому експерименті ядра торію-229 помістили всередину невеликого твердотільного кристала фториду кальцію — CaF₂.
Підписуйтеся на наші соцмережі
Кристал мав розмір лише кілька міліметрів і працював за кімнатної температури. Це важлива деталь, оскільки раніше однією з головних проблем ядерної хронометрії була необхідність створити систему, яку можна стабільно контролювати та зчитувати.
Дослідники спрямували на зразок ультрафіолетове лазерне випромінювання та використали систему швидкого зворотного зв'язку. Вона постійно коригувала частоту лазера відповідно до ядерного переходу.
Саме можливість безперервної синхронізації стала одним із ключових результатів роботи.
Наскільки точним виявився новий годинник
Досягнута нестабільність частоти становила приблизно 3 × 10⁻¹²/√τ. За тривалого безперервного порівняння з іонним годинником на іонах ітербію Yb⁺ система могла наближатися до рівня близько 10⁻¹⁵ за одну добу.
Для звичайного годинника це звучить неймовірно точно. Але у світі сучасної метрології цього поки недостатньо, щоб випередити найкращі оптичні атомні годинники.
Найточніші системи на основі атомів стронцію вже демонструють рівень приблизно 10⁻¹⁸-10⁻¹⁹. Тому новий ядерний годинник поки не є найточнішим годинником у світі. Його головна цінність — в іншому.
Чому фізики взагалі хочуть перейти від атомів до ядер
Електрони в атомі значно сильніше взаємодіють із зовнішнім середовищем. На їхні енергетичні рівні можуть впливати електромагнітні поля, температура та інші фактори. Атомне ядро набагато краще захищене від частини таких зовнішніх впливів.
Теоретично це означає, що ядерний перехід може стати ще стабільнішим еталоном частоти. Якщо вченим вдасться усунути або точно врахувати систематичні похибки, ядерні годинники потенційно зможуть стати точнішими за сучасні атомні системи. Але до цього ще далеко.
Кристал створює власні проблеми
Твердотільний формат має очевидну перевагу — не потрібно працювати з окремим атомом або іоном у складній вакуумній системі. Водночас кристалічна решітка не є ідеальним середовищем.
Атоми торію взаємодіють із навколишнім матеріалом, що може змінювати частоту ядерного переходу. Додатковою проблемою залишається температурна залежність.
Тому частина метрологічної спільноти поки обережно оцінює перспективи твердотільного ядерного годинника. Наразі його точність усе ще поступається найкращим оптичним атомним годинникам на кілька порядків.
Який стосунок тут має темна матерія
Ядерний годинник цікавий фізикам не лише як новий спосіб вимірювати час.
Надточний контроль ядерного переходу може дозволити перевіряти, чи залишаються фундаментальні фізичні константи незмінними. Якщо певні параметри Всесвіту дуже повільно змінюються або на них впливає невідома фізика, надточні годинники потенційно можуть це зафіксувати.
Ще цікавіша можливість — пошук ультралегкої темної матерії. Деякі теоретичні моделі припускають, що така матерія може дуже слабко впливати на фундаментальні константи або енергетичні рівні атомів і ядер.
Якщо два різні типи надточних годинників демонструватимуть синхронні, але незвичайні зміни частоти, це може стати сигналом для пошуку нової фізики.
Коли технологія може стати практичною
До масового використання ядерних годинників ще далеко. Найближчі кілька років, ймовірно, будуть присвячені не стільки створенню готового «годинника для цивільного використання», скільки підвищенню стабільності та точності експериментальних систем.
Окремий напрямок — ядерні годинники на поодиноких охолоджених іонах торію в пастках. Такі системи можуть допомогти перевірити, чи справді ядерний перехід здатен забезпечити перевагу над сучасними атомними годинниками.
Якщо технологію вдасться довести до високої точності, вона потенційно матиме й практичні застосування.
Серед них — надточна геодезія та вимірювання гравітаційного потенціалу Землі. Годинники надзвичайної точності можуть реагувати на дуже невеликі відмінності гравітаційного поля, що дозволяє використовувати їх для вимірювання висоти та змін підземних структур.
Відкривається новий спосіб вимірювати час
Експеримент із торієм-229 поки не означає, що атомні годинники найближчим часом замінять ядерні.
Але фізики вперше отримали робочу систему, в якій ядерний перехід торію-229 можна безперервно контролювати лазером і використовувати як основу для надточної хронометрії.
Наступним завданням буде позбутися впливу кристала, підвищити стабільність і точність та перевірити результати в інших конфігураціях.