Впервые в истории исследователи использовали лазерное излучение, чтобы перевести ядро атома тория на более высокий энергетический уровень. Этот научный успех открывает путь к созданию нового поколения часов непревзойденной точности, способных помочь нам постичь самые фундаментальные силы во Вселенной.
Как работают атомные часы?
Атомные часы, которые на сегодняшний день являются самыми точными из всех существующих, основаны на удивительном принципе квантовой физики. Они используют атомы для измерения времени с предельной точностью.
Представьте себе атом как миниатюрную солнечную систему, в центре которой находится ядро, а вокруг него вращаются электроны. Эти электроны могут занимать различные энергетические уровни, подобно этажам здания. Когда электрон получает определенное количество энергии, он может «перепрыгнуть» с одного этажа на другой. Это то, что мы называем энергетическим переходом.
Теперь возьмем лазер — концентрированный луч света. Если мы настроим частоту этого лазера так, чтобы она в точности соответствовала энергии, необходимой для того, чтобы вызвать этот энергетический скачок у данного электрона, произойдет нечто совершенно особенное. Электрон поглощает энергию лазера и переходит на более высокий энергетический уровень. Но это состояние нестабильно, поэтому электрон быстро возвращается в исходное состояние, испуская фотон или небольшой пакет света.
Именно это явление особенно интересно для часов: частота, с которой испускаются фотоны, чрезвычайно точна и постоянна. Она напрямую зависит от разницы энергий между электронными уровнями атома. Измеряя эту частоту, мы можем получить очень точное измерение времени.
Проще говоря, это как если бы каждое «тиканье» часов было результатом того, что электрон совершил небольшой энергетический скачок в атоме.
Перспективы атомных часов
Однако у этих атомных часов есть свои ограничения. Электроны, на которых они основаны, находятся вне атомов, что делает их уязвимыми для внешних помех, таких как паразитные магнитные поля или другие воздействия окружающей среды. Эти помехи могут незначительно изменить энергетические уровни электронов и, как следствие, изменить время работы часов.
Именно в этом случае на помощь приходят ядерные часы. В отличие от атомных часов, они будут использовать энергетические переходы ядер внутри атомов, защищая их от внешних помех.
Однако до недавнего времени сложность использования этих переходов заключалась в том, что разница между энергетическими уровнями ядер была гораздо больше, чем между уровнями электронов, что затрудняло использование лазеров для возбуждения этих переходов. Это возвращает нас к данной работе. Недавно физики использовали лазерное излучение, чтобы перевести ядро атома тория на нужный энергетический уровень.
Новый прорыв
В 1970-х годах ученые сделали удивительное открытие, связанное с особым изотопом тория — торием-229. Они заметили, что этот изотоп имеет энергетический уровень, который, как оказалось, находится в диапазоне, куда может проникнуть лазерное излучение. Другими словами, лазерное излучение способно стимулировать торий-229 к переходу на более высокий энергетический уровень.
Однако определение конкретного энергетического зазора оказалось серьезной проблемой. Чтобы добиться этого, исследователям пришлось возбудить торий-229 до энергетического уровня, гораздо более высокого, чем два интересующих их энергетических уровня. Затем они измерили тонкие различия в энергии света, излучаемого при падении тория-229 обратно на более высокий энергетический уровень.
После десятилетий усилий и исследований ученые наконец достигли своей цели. Они смогли непосредственно наблюдать, как атом тория-229 совершает этот переход между энергетическими уровнями, демонстрируя точное изменение энергии на 8,35574 электрон-вольт.
Чтобы непосредственно наблюдать за атомом тория-229, исследователи использовали сложный метод, предусматривающий захват атомов внутри кристаллов фторида кальция. Заключив их в контролируемую среду, они смогли создать идеальные условия для наблюдения за переходом между энергетическими уровнями.
До этого прорыва исследователи были ограничены доступными технологиями для точного захвата и манипулирования атомами тория-229. Поэтому прогресс в технике и манипуляциях с атомами был необходим для того, чтобы провести это прямое наблюдение.
Это достижение имеет огромное значение, поскольку оно открывает путь к созданию новых ядерных часов. Они могли бы предложить новый способ измерения времени с предельной точностью, чтобы совершенно по-новому взглянуть на такие фундаментальные силы физики, как темная энергия, темная материя и другие неуловимые космические явления.
Подробности исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
