Физиците са демонстрирали всички компоненти на атомен часовник - устройства, които измерват времето чрез измерване на малки енергийни измествания в атомно ядро. Такива часовници могат да доведат до значителни подобрения в прецизните измервания, както и до новите прозрения в основната физика.

Изследователите измерват честотата на светлината, която причинява ядрата на редкия изотоп торий -229 до преминаване към по -високо енергийно състояние - „часовникът“ на атомния часовник - с точност 100 000 пъти по -висока от предишната най -добра стойност. Те постигнаха това, като синхронизираха енергийната миграция с часовника на най -прецизния часовник в света. Работата беше ръководена от Джун Йе от Джила, изследователски институт в Боулдър, Колорадо и публикуван на 5 септември в природата. „Това е наистина един от най -вълнуващите документи в скорошната памет“, казва Мариана Сафронова, ядрен физик в Университета в Делауеър в Нюарк.

Пробивът дойде чрез изследване на ядрата Thorium-229 с лазерно устройство, наречено честотен гребен. Настройката технически не е часовник, тъй като все още не е използвана за измерване на времето. Но подобни впечатляващи резултати правят възможно развитието на атомен часовник, казва Сафронова.

Измерванията на часовника вече се оказват полезни във физиката на частиците, казва Елина Фукс, теоретичен физик в университета в Лейбниц Хановер, Германия. И тъй като честотата на часовника се определя от основните сили, които държат ядрото заедно, прототипът може да определи дали вид тъмна материя - невидимо вещество, което представлява около 85% от въпроса във Вселената - влияе на тези сили в малък мащаб. „Това е нов, директен прозорец в ядрената енергия“, казва Фукс.

Крайни часовници

Най -добрите часовници в света, наречени атомни часовници, измерват времето за използване на лазери - честотата на светлината е точно настроена за постигане на енергията, необходима за преместване на електрони между две енергийни нива в един атом. Най -точният атомен часовник печели или губи само една секунда на всеки 40 милиарда години. Атомният часовник ще работи малко по -различно: часовникът ще съответства на енергийните преходи на протони и неутрони, а не на електрони, тъй като те влизат в възбудено състояние.

Това енергийно изместване изисква малко по -висока, ултравиолетова честота, което води до по -бързо време, което може да съответства или надвишава точността на атомния часовник. Но най -голямото потенциално предимство на атомния часовник се крие в комбинацията от прецизност и стабилност. Частиците в ядрото са по -малко чувствителни от електроните към смущения като електромагнитни полета - което означава, че атомният часовник може да бъде преносим и здрав. „Той става десенсибилизиран по начин, който е трудно да си представим по отношение на това как работят нашите часовници днес“, казва Ан Къртис, експериментален физик в Националната физическа лаборатория в Тедингтън, Обединеното кралство.

Но намирането на правилния тип атомно ядро ​​за използване и определяне на честотата, необходима за преместването му в различно енергийно състояние, е 50-годишен лозунг за физиците. През 70-те години косвените доказателства предполагат, че Thorium-229 има странно нискоенергичен ядрен преход-такъв, който в крайна сметка може да бъде предизвикан от плазмата на плота. Но чак през миналата година учените откриха необходимата честота - и тази година те успешно започнаха прехода с лазер.

Екипът на JILA потърси честотата на прехода в трилиони атома на торий-229, вградени в кристала, използвайки система, известна като честотен гребен. Гребеният създава серия от лазерни честотни линии, които са редовно и равномерно разположени. Това позволява на изследователите да осветяват кристала с много точни честоти наведнъж, за да търсят хит, а не усърдно сканиране през спектъра от възможни опции с едночестотен лазер.

Настройките на гребена - включително ширината на пролуките между линиите или "зъбите" - бяха калибрирани с помощта на атомния часовник и могат да се регулират. Екипът проведе няколко експериментални цикъла и тъй като наблюдаваха характеристичния си блясък, който възниква, когато атомите на торий-229 се разпадат от възбуденото им състояние, те използваха настройките, за да изчислят честотата, която контролира сигнала.

Наблюдавайки прехода за първи път „се чувствах невероятно“, казва съавторът на проучването Чункун Джан, физик в Джила. „Цяла нощ правехме тестове, за да проверим дали това наистина е сигналът, който търсихме“, казва той.

Основни сили

Това, което е специално в честотния гребен, е, че той позволява на физиците да измерват честотния часовник на часовник - тук ядрото на Торий -229 - като съотношение към друга известна честота, в случая атомен часовник. Това не само позволи на екипа да определи абсолютната честотна стойност с висока точност, но и отвори някои интересни възможности във физиката, казва Джан.

Ако скоростта на часовника на един часовник се промени във времето спрямо друг, това може да показва, че факторите, които определят нивата на енергия - като силната ядрена или електромагнитна сила - се носят или се колебаят, казва Фукс. Смята се, че определени „светлинни“ форми на тъмна материя, които имат изключително ниска маса, имат този ефект, казва тя.

Всяка промяна в силите би била усилена в честотата на миграцията на ядрото навътре, така че атомните часовници потенциално биха могли да бъдат около 100 милиона пъти по -чувствителни към ефектите на този тип тъмна материя, отколкото атомни часовници. Последният резултат - който определя честотата до точност от 13 десетични знака - вече е достатъчно прецизен, за да стесните възможните енергийни диапазони, в които може да съществува светла тъмна материя, казва Фукс. Ядрената физика също може да се възползва от по-прецизната честота на прехода, която би могла да помогне на учените да разграничат различни възможни форми на ядрото на торий-229.

Но трябва да се свърши повече работа, преди атомните часовници да надминат атомните часовници - които в момента са точни до 19 десетични знака. Изследователите ще проучат дали има смисъл да поддържат Thorium -229 вграден в кристал - твърдът е удобен за създаване на носим часовник - или дали ограничаването на отделните атоми би довело до по -добри резултати.

Лазерната система също трябва да бъде оптимизирана. „За щастие, тази невероятна техника има голям потенциал“, казва Олга Кочавская, физик в Тексаския университет A&M в колежа. Това е „прототип на източника, който ще се използва в бъдещия часовник“, добавя тя.