Как лазер с длиной волны 148 нм настраивает часы на ядерный резонанс?

Что сделали

Обычные оптические атомные часы отсчитывают время по переходам электронов между энергетическими уровнями. В установке команды Дин Шицяня частотной опорой стал переход внутри ядра тория-229. Для опыта взяли кристалл фторида кальция, легированный этим изотопом. По данным Национального фонда естественных наук Китая, такая твёрдая среда стала основой работающих ядерных оптических часов.

Нужен свет в вакуумном ультрафиолете. Его длина волны соответствует энергии ядерного перехода: около 8,4 электронвольта, или примерно 148 нм, согласно данным фонда. Кристалл здесь не просто корпус прибора. В нём атомы тория дают системе доступ к ядерному резонансу.

Как это работает

Представьте радиоприёмник, который постоянно настраивается на нужную станцию. Лазер освещает кристалл, а система отслеживает, как ядра тория поглощают свет. Если частота лазера уходит от резонанса, сигнал показывает направление ошибки. Обратная связь подстраивает лазер и привязывает его частоту к ядерному переходу. Так переход становится опорой для часов.

Чтобы получить нужный ультрафиолетовый свет, команда применила четырёхволновое смешение в парах кадмия. По данным Цинхуа, лазер выдавал в целевом диапазоне мощность свыше 10 микроватт. Длину волны можно было непрерывно перестраивать от 140 до 175 нм.

Цифры и цена

На выращивание кристалла миллиметрового размера потребовалось 1,4 микрограмма тория-229, сообщает Цинхуа. По данным университета, это примерно в 200 раз меньше изотопа, чем израсходовала современная европейская команда на одно выращивание. Торий редок, поэтому уменьшить его расход важно для повторения эксперимента.

По данным команды, на секундном интервале установка показала стабильность почти на порядок лучше результата европейской группы, работавшей в тот же период. Речь о сравнении двух ядерных часов. Оно не доказывает превосходство над лучшими атомными часами. Авторы описывают потенциально более высокую точность ядерных часов как принципиальную возможность, но для этой установки такого преимущества пока не подтвердили.

Цены на установку в материалах нет. Коммерческая цена прототипа тоже не указана, поэтому точных данных о том, сколько он мог бы стоить в юанях и рублях, нет.

Где подвох

Главное ограничение — доступ к торию-229. Дин Шицянь отмечает, что изотоп крайне редок, а каналы его получения для Китая ограничены. Даже относительно небольшой расход на кристалл пока не делает материал доступным в обычном лабораторном масштабе.

Между работающим стендом и готовыми часами для навигации ещё немалый инженерный путь. Цинхуа называет перспективами миниатюризацию, применение в спутниковой навигации и исследованиях дальнего космоса, но сроков появления таких устройств нет. Пока учёные показали, что ядерный переход можно использовать как частотную опору в твердотельной установке. До серийного прибора для спутника ещё далеко.

А что в России

В России над ядерными часами работают МИФИ и ВНИИФТРИ. В МИФИ отрабатывают вариант с ионной ловушкой, а ВНИИФТРИ планирует создать экспериментальный образец к 2030–2032 годам. Рассматривают и твердотельный подход, но достигнутой точности для него пока нет. В проекте также участвуют Национальный центр физики и математики в Сарове и Институт прикладной физики в Нижнем Новгороде.

Российские разработки пока на стадии исследований: серийных ядерных часов в стране нет. Продажи китайского прототипа в России не подтверждены. Сравнивать готовые приборы пока нельзя: китайская команда уже показала работающую установку на тории в кристалле, а российские коллективы продолжают работать над собственными экспериментальными схемами.

Какой этап в таких часах вам интереснее всего: редкий изотоп, ультрафиолетовый лазер или обратная связь?

#китай #наукаитехника #технологии #изобретения #лабораторияподнебесной