Най-добрите атомни часовници днес, които проследяват времето чрез измерване на начина, по който електроните постоянно прескачат между енергийните състояния, когато са изложени на определена лазерна светлина, биха загубили по-малко от една секунда точност през цялата епоха на Вселената досега. Те са невероятно точни, но и невероятно деликатни: необходима е цяла лаборатория с вакуумни камери и екраниране, за да се предотврати смущения от разсеяни електрически или магнитни полета. За да решат тези проблеми, учените се стремят да отидат един слой по-дълбоко в атома, от електроните отвън до ядрото, сгушено вътре, и да проследят как енергията превключва един неутрон между квантовите състояния. Според Торстен Шум, физик от Виенския технологичен университет, такъв превключвател би могъл да направи часовниците до 10 пъти по-точни, а самият атом би защитил часовника от някои външни смущения. Освен това, такива атоми биха могли да бъдат вградени защитно в кристал.

В ново проучване Шум и неговите колеги са картографирали четирите места, където един атом на торий може да се намира в кристал, и са открили едно, близко до идеалното за изграждане на най-прецизния часовник досега.

В повечето атоми, енергията, необходима за обръщане на неутрон по този начин, би изисквала гама-лазер, който учените все още не могат да създадат. Има само едно известно изключение, изотоп, наречен торий 229, който изследователите показаха през 2024 г., може да бъде задействан с ултравиолетов лазер.

„Торият 229 е странност на природата. Енергията на ядрен преход е забележително ниска, което го прави достъпен за лазерна светлина с висока чистота“, обяснява Андрей Деревянко, физик от Университета на Невада, Рино, който не е участвал в изследването. Изследователите са търсили кристална структура, която би могла да побере и защити атомите на торий 229, премахвайки необходимостта от интензивни вакуумни камери, за да функционира часовникът.

„Отглеждането на кристали е като алхимия или като готвене“, казва Шум. „Опитваш, после опитваш нещо друго и после продължаваш да опитваш.“ След 15 години експерименти, групата на Шум е получила рецепта за твърди кристали калциев флуорид, легирани с малки примеси от торий 229, които изглеждат като прозрачни кубчета с милиметров размер. „В крайна сметка изглежда като мъничко парче стъкло, но има десетки хиляди часове, за да се научим как да правим това“, добавя той. Изследователите обаче осъзнали, че ако насочат торий 229 в лоша вътрешна позиция, кристалът ще има неравномерно електрическо поле, което ще навреди на синхронизацията на часовника.

За да изследват възможните начини, по които атомите на тория могат да бъдат позиционирани в кристалите, за това последно проучване учените са насочили специално създаден ултравиолетов лазер с една дължина на вълната в продължение на 60 секунди, изключили са го и са наблюдавали в продължение на пет минути как възбудените ядра се разпадат обратно до по-ниски енергийни нива и излъчват светлината обратно. След това изследователите са променили честотата и са направили същото отново. Оказало се, че атомите на тория могат да се намират на четири места в кристалната решетка. Три от тях връщат светлина с множество дължини на вълната, което показва неравномерно електрическо поле около тях. Четвъртият реагира само на една дължина на вълната, знак за равномерно поле, което го прави идеален за часовника.

„Данните в тази статия са нещо, което всички искахме да видим от известно време“, казва Ерик Хъдсън, физик от Калифорнийския университет в Лос Анджелис, който не е участвал в проучването. „Това е много важен резултат за изследванията на твърдотелния ядрен часовник“, добавя Екехард Пейк, ръководител на отдела за време и честота в Националния институт по метрология в Германия, който също не е участвал в проучването. Въз основа на откритието си, Шум и колегите му вече са изградили първите ранни прототипи на нови часовници и са патентовали начин за изграждане на такъв, който се побира на малък чип. В същото време друг екип в Китай, воден от Шъцян Динг, физик от университета Цинхуа, също демонстрира прототип на ядрен часовник, който е постигнал сравними резултати с по-мощен лазер, насочен към кристал, съдържащ малко по-ниска концентрация на торий 229. Шум смята, че напредъкът в тази област набира скорост.

„Няма да ви дам времева скала за това кога ще победим най-добрите атомни часовници“, завършва Шум, „но ще бъдем по-добри от настоящите ни прототипи с поне три порядъка до края на годината.“ Засега обаче екипът му не се стреми към превъзходна прецизност. Приоритетът е миниатюризирането на часовниците – първо преминаване от лабораторен размер до размер на кутия за обувки: форма, която би могла да се използва в сървърен шкаф на център за данни, за да се поддържат неща като банкови транзакции, когато комуникациите биха могли да бъдат загубени с днешните сателитни часовници.

Снимка: Unsplash

Виж още: Записаха 133 петабайта данни на 351 MicroSD карти в продължение на 3 години в името на издръжливостта