СВЕТ, НА КОТОРОМ ИДУТ ЯДЕРНЫЕ ЧАСЫ

Оптические часы дают точные эталоны частоты для метрологии и для проверок фундаментальной физики. Ядро тория-229 предлагает нечто более необычное: у него есть низколежащее возбуждённое состояние, примерно на 8,4 электронвольта выше основного, до которого может «дотянуться» лазер. Часы на основе ядра были бы особенно чувствительны к возможным изменениям фундаментальных констант природы. А если внедрить торий в прозрачный кристалл, получатся твердотельные ядерные часы.

Загвоздка — в цвете. Для этого перехода нужен свет с длиной волны 148,4 нанометра, в вакуумном ультрафиолете. Недавние работы показали, что такой свет может возбуждать ядро и обеспечивать работу ядерных часов. Но чтобы зарегистрировать слабое поглощение, источник должен часами давать устойчивый поток фотонов, а дрейфы его интенсивности нужно отфильтровывать.

Конфликт интересов. Некоторые авторы — сотрудники или владельцы лазерной компании Shanghai Precilasers Technology. Других конфликтов авторы не заявляют.

Трижды уменьшить длину волны вдвое

Команда из Научно-технического университета Китая, Национальной лаборатории Хэфэя, институтов Китайской академии наук и упомянутой компании начинает с непрерывного инфракрасного лазера на 1187 нанометрах. Три последовательных каскада удвоения частоты уменьшают длину волны вдвое: 594, затем 297, затем 148,4 нанометра.

Последний этап происходит в кристалле тетрабората стронция — материала, прозрачного в вакуумном ультрафиолете и способного преобразовывать свет в излучение удвоенной частоты. Кристалл находится в герметичном боксе, который откачивают и заново заполняют азотом чистотой выше 99,9999%, ведь кислород поглощает этот свет. Это свойство служит и проверкой: стоит впустить немного кислорода — и сигнал на 148,4 нанометра исчезает, остаётся лишь фоновый шум.

Несколько нановатт, зато очень чистых

• При 920 милливаттах света на 297 нанометрах на входе источник даёт, по оценке, 8,1 нановатта на 148,4 нанометра.
• Сигнал в 38 000 раз сильнее фона, остающегося после добавления кислорода.
• Это примерно вшестеро больше 1,3 нановатта, о которых сообщала другая команда ранее. Но авторы подчёркивают, что результат получен при гораздо большей мощности накачки; в пересчёте на квадрат ватта оба преобразования сопоставимы, так что большая эффективность кристалла не доказана.

Кристаллы, вырезанные из одного блока, вели себя по-разному. Один лучше всего работал около 30 °C, другой — около 45 и 48 °C в зависимости от того, куда попадал пучок. Каждый образец требует собственной настройки.

Тридцать три часа и приём против дрейфа

Источник проработал 33,3 часа, пока команда проводила измерения ядерного поглощения, описанные в сопутствующей статье. Его выходной сигнал медленно рос примерно с 5 до 8 миллионов отсчётов в секунду, хотя накачка оставалась стабильной; причина дрейфа пока не выяснена.

Чтобы справиться с такими дрейфами, команда сравнивала каждую миллисекунду сигнала с миллисекундами непосредственно до и после неё. В отдельном трёхчасовом прогоне такая локальная привязка (local referencing) позволила шуму усредняться почти так же хорошо, как допускает фотонная статистика, и достичь относительной стабильности 3,5 × 10⁻⁵ за 1000 секунд. Авторы представляют это как проверку усреднения в офлайн-режиме, а не как уже измеренный предел обнаружения поглощения.

К более ярким источникам

Резонатор из зеркал вокруг более тонкого кристалла мог бы, на бумаге, поднять мощность примерно до 3,4 микроватта — это прогноз, предполагающий малые потери и стабильную работу. Другие пути — легирование кристалла или управление его внутренней структурой. Пока же результат — практичный и долговечный источник, позволяющий «услышать» слабое поглощение ядра тория.