ЧАСЫ, НАСТРОЕННЫЕ НА АТОМНОЕ ЯДРО, ПРОРАБОТАЛИ 30 ЧАСОВ

Самые точные часы в мире отсчитывают колебания электронов внутри атомов, которые зондируют лазерами. Они служат эталонами частоты для метрологии и для проверок фундаментальной физики. Торий-229 предлагает маятник другого рода: у его ядра есть возбуждённое состояние, называемое изомером, всего примерно на 8,4 электронвольта выше основного — достаточно низко, чтобы до него мог дотянуться лазер. Нужный свет лежит в вакуумном ультрафиолете, на длине волны 148,4 нанометра.

По словам авторов, часы на этом ядерном переходе были бы особенно чувствительны к возможным изменениям фундаментальных взаимодействий и могли бы помочь в поисках тёмной материи. Если внедрить торий в прозрачный кристалл фторида кальция, в маленьком твёрдом образце окажется огромное число поглощающих ядер: это путь к твердотельным ядерным часам.

Не первые, но здесь — самые долгие

Статья аккуратно указывает, что уже было сделано. В списке литературы — ядерная флуоресценция, прямое лазерное возбуждение, спектроскопия с частотной гребёнкой, непрерывные ультрафиолетовые лазеры, абсорбционная спектроскопия и даже ядерные петли обратной связи, о которых сообщали другие команды. Новое в этой работе — часы, которые долго работают на одном конкретном кристалле, и тщательная увязка измеренного спектра с частотой, которую часы реально выдают.

Ключ — поглощение. Вместо того чтобы ждать распада возбуждённых ядер — процесса медленного, — команда измеряет, сколько света поглощает кристалл. Это даёт быстрый сигнал о том, стоит ли лазер точно на линии или рядом с ней.

Три удвоения, чтобы добраться до ядра

Пэнфэй Ван (Pengfei Wang), Сюй-Фэй Инь (Xu-Fei Yin), Юй-Ао Чэнь (Yu-Ao Chen) и их коллеги из Научно-технического университета Китая вместе с партнёрами из Китайской академии наук и Венского технического университета (TU Wien) начинают с инфракрасного лазера на 1187 нанометрах, стабилизированного по ультрастабильному оптическому резонатору. Три последовательных удвоения частоты превращают его излучение в 594, затем 297 и, наконец, 148,4 нанометра. Около 750 пиковатт ультрафиолетового света проходят затем через легированный торием образец толщиной 1,8 миллиметра, вырезанный из кристалла под названием X2. Другие куски X2 измеряли в Вене и в JILA.

Внутри кристалла локальное электрическое поле расщепляет ядерную линию на несколько компонент. Для одного типа позиций тория команда разрешает четыре из них, а также более широкий резонанс от позиций второго типа. Самая сильная и узкая линия, названная b, имеет ширину всего 83 килогерца — при частоте около двух квадриллионов герц.

Тридцать часов на одной линии

Чтобы часы шли, система зондирует оба склона линии b и подправляет частоту лазера примерно каждые 10 секунд. Выходную частоту измеряет частотная гребёнка, привязанная к водородному мазеру, откалиброванному по стронциевым атомным часам.

Петля продержалась 30 часов — 1 061 000 циклов измерения, из которых отбраковано лишь 29.
Команда остановила измерение, пока часы ещё были захвачены: поток фотонов упал с 5,79 до 2,41 миллиона в секунду, что авторы объясняют газовыделением, ухудшившим пропускание ультрафиолета.
Измеренная частота линии b: 2 020 407 298 796,17 килогерца с неопределённостью 0,13 килогерца.
Её стабильность улучшается с временем усреднения и достигает 1,24 × 10⁻¹³ через 10 000 секунд.
Второй прогон длительностью 6,6 часа на другой компоненте, линии c, тоже удался.

Положения линий, считанные по спектрам поглощения, и частоты, выдаваемые часами, согласуются в пределах погрешностей. Когда команда ещё трижды перезапускала часы, вскрыв камеру и заново юстировав оптику, средние частоты разошлись в пределах 1,6 килогерца.

Один кристалл — три лаборатории

Сравнив свой образец с кусками того же кристалла, измеренными в Вене и в JILA, после поправки на температуру команда получает ту же картину линий. Некоторые смещения остаются: линия b лежит на 11,6 килогерца выше венского значения и на 6,6 выше значения JILA; линия c — примерно на 30 килогерц выше обоих. Авторы пока не могут сказать, вызваны ли эти расхождения остаточными температурными ошибками, систематикой захвата или реальными различиями между образцами.

До финиша ещё далеко

Цифры нуждаются в контексте, и статья его даёт. Само сравнение водородного мазера и стронциевых часов, используемых в качестве эталона, более чем в десять раз стабильнее ториевых часов на тех же временах усреднения. Бюджеты неопределённостей прямо названы неполными, а температура не записывалась в течение первых 14,7 часа длинного прогона. Ценность работы — в выносливости и перекрёстной проверке: ядерный переход, удерживаемый больше суток и сопоставленный с кусками того же кристалла в трёх лабораториях.