Ториевите ядра настройват часовници, кристалите изместват честотата

За пръв път честотата на лазер се стабилизира чрез ядрото на атома, а не чрез електроните му. Това показват часовници, създадени от екипи във Виена и Пекин и описани в списание Nature на 7 октомври (Reuters). Ядрото на тория вече коригира лазера непрекъснато, което дава на физиците нов инструмент. Но миниатюрните измествания на честотата, причинени от кристалите, в които торият е фиксиран, засега пречат часовникът да служи за надеждно отмерване на времето.

Всеки часовник съчетава ритъм и корекция. Махалото се люлее, а часовникарят го настройва, когато започне да изостава или избързва. При атомния часовник тази корекция се поема от физиката: лазерът непрекъснато се сверява с преход — скок между две енергийни състояния, при който атомът поглъща светлина с определена честота. Тя е изключително постоянна, макар средата около атома да може леко да я измени.

В обичайните атомни часовници преходът става в електрон. Торий-229 е особен, защото има преход вътре в ядрото, до който може да достигне ултравиолетова лазерна светлина. Повечето ядрени преходи изискват много по-енергийно излъчване. Ядрата са и много малки, затова по принцип се смущават по-слабо от външни електрични и магнитни полета, отколкото електронните облаци около тях (Physics World).

Как ядрото поема управлението

И двата екипа вградили торий-229 в малки кристали от калциев флуорид и пропуснали през тях теснолентов ултравиолетов лазер. При точната честота ядрата поглъщат малко повече светлина. Системата за управление настройва лазера от двете страни на пика на поглъщане, определя от коя страна е и връща честотата към средата (изследването на екипа във Виена в Nature, изследването на китайския екип в Nature).

Това напомня системата за поддържане на автомобил в лентата. Камерата следи маркировката, а системата прави малки корекции с волана, за да остане колата между линиите. При часовника сигналът от поглъщането играе ролята на камерата, а контролерът на лазера завърта волана.

Тази обратна връзка е новата стъпка. Още през 2024 г. експерименти показаха, че лазерна светлина може да задвижи прехода (Physical Review Letters). Тогава сигналът обикновено се улавяше чрез бавното последващо излъчване на възбудените ядра. То идва твърде късно, за да коригира лазера в реално време. Да намериш радиостанция веднъж не е същото като да останеш настроен на нея; директното поглъщане е достатъчно бързо за тази втора задача.

Двата екипа стигнали до резултата независимо. TU Wien описва устройството си като самостабилизиращ се ядрен часовник (TU Wien), а китайската разработка е ръководена от Tsinghua University (Tsinghua University). Два независими прототипа подкрепят идеята по-силно, отколкото един.

Равномерен ход, но още неточен

Учените оценяват часовниците по две различни качества. Стабилността показва колко равномерно тиктака часовникът от момент до момент; по този показател нито един от двата прототипа още не достига утвърдените оптични атомни часовници. Точността показва дали часовникът отмерва правилната честота — подобно на часовник, който тиктака равномерно, но е настроен с пет минути напред.

Кристалът създава проблем с точността. Всяко ядро на торий е в отделна област на кристала, а местни напрежения или дефекти могат да изместят характерната му честота. Затова показанието може да зависи от мястото, през което минава лазерът. Екипът в Пекин открил окуражаващ знак: два отделно отгледани кристала дали много близки честоти (изследването на китайския екип в Nature). Нито един от екипите все още не е представил пълен отчет на всички фактори, които могат да изместят честотата.

Търсене на тъмна материя

Дори като несъвършен часовник, устройството вече е полезно за физиците. Според някои теории тъмната материя — невидимото вещество, което съставлява по-голямата част от масата на Вселената — може слабо и ритмично да влияе на силите, определящи тези честоти. Ядреният и електронният часовник биха реагирали различно на такова влияние, така че съотношението между честотите им би се променяло в равномерен ритъм.

Екипът във Виена пуснал ториевия часовник паралелно с обикновен атомен часовник и потърсил точно такъв ритъм. Не открил такъв. Авторите посочват, че резултатът изключва някои конкретни модели на тъмната материя, но не и тъмната материя като цяло (изследването на екипа във Виена в Nature).

Официалната дефиниция на секундата все още се основава на атоми на цезия (BIPM), а тези прототипи няма да я променят скоро. Те показаха, че ядро може да направлява работещ часовник. За да стане той надежден уред за измерване на времето, са нужни кристали, които задържат тория, без да изместват честотата му. Именно изследователите, които отглеждат кристали във Виена и Пекин, са в най-добра позиция да решат този проблем.