Китайская команда первой создала ядерные оптические часы: квантовые измерения вышли на уровень переходов атомного ядра
Команда под руководством доцента Университета Цинхуа Дин Шицяня разработала ядерные оптические часы на тории-229 и впервые в мире ввела их в эксплуатацию. Вечером 7 октября (по пекинскому времени) статья об этом достижении была опубликована в международном научном журнале Nature.
Используя самостоятельно созданный непрерывный вакуумно-ультрафиолетовый лазер с длиной волны 148 нанометров и кристалл фторида кальция, легированный торием-229 (разработан совместно с партнёрской командой), исследователи провели измерение спектра поглощения на ядерном переходе тория-229 и стабилизировали частоту лазера, замкнув её на этот переход, что и обеспечило работу ядерных часов. Так была выстроена целостная технологическая цепочка — от источника света, кристалла и спектроскопии до замкнутого цикла работы.
В ходе разработки команда Дин Шицяня преодолела ряд трудностей. Ей удалось первой в мире создать непрерывный вакуумно-ультрафиолетовый лазер 148 нм, решив проблему ключевого источника точного возбуждения ядерного перехода тория-229. При совместных усилиях был разработан малый кристалл с микродозированной примесью тория-229 — из единственных на тот момент 1,4 микрограмма нуклида одним разом выращен миллиметрового масштаба высококачественный кристалл фторида кальция с торием, обеспечив потребности в создании ядерных часов при минимальном расходе редкого изотопа.
Дин Шицянь в интервью отметил, что ядерные оптические часы обещают стать стандартом времени и частоты нового поколения после атомных микроволновых и атомных оптических часов и представляют собой важный передовой рубеж квантовых точных измерений.
По его словам, современные атомные оптические и микроволновые часы, опираясь на электронные переходы в атоме, дают соответственно наиболее точное и наиболее практичное измерение времени. Ядерные часы используют внутренний переход ядра тория-229 как частотный эталон. Поскольку масштаб атомного ядра значительно меньше масштаба атома, ядерные переходы меньше подвержены возмущениям внешней электромагнитной среды, поэтому в принципе способны обеспечить более высокую точность эталона времени и частоты, чем атомные оптические часы.
«При этом твёрдотельные ядерные часы обладают потенциальным преимуществом миниатюризации и инженерии, что может дать практичное технологическое решение для высокоточных потребностей во времени и частоте — спутниковой навигации, дальнего космоса и оборонной безопасности», — добавил учёный.
Дин Шицянь также указал, что ядерный переход тория-229 отличается ярко выраженной чувствительностью к новым физическим эффектам, таким как вариации фундаментальных констант, поэтому ядерные часы могут стать новой прецизионной платформой для проверки фундаментальных законов физики. Реализация ядерных часов означает проникновение возможностей квантового управления вглубь атомного ядра, открывая новые направления для квантовых точных измерений и квантового управления.
