В прошлом году физики впервые смогли контролируемо возбуждать ядра радиоактивного тория-229, что стало ключом к созданию ядерных часов фантастической точности. Такие часы могли бы революционизировать навигацию и позволить проверить, меняются ли фундаментальные константы природы — неизменные физические величины, такие как скорость света или гравитационная постоянная, которые определяют законы физики. Гипотезы об их изменении со временем предполагают, что даже небольшой сдвиг мог бы радикально изменить структуру материи и ход эволюции Вселенной. Однако развитие технологии упиралось в острую проблему: необходимый изотоп тория-229 содержится только в оружейном уране, и для исследований во всём мире доступно лишь около 40 граммов этого материала.
Теперь международная группа исследователей во главе с физиком из UCLA Эриком Хадсоном совершила новый прорыв, о котором сообщает журнал Nature. Учёные обнаружили способ воспроизвести свои предыдущие результаты, используя в тысячу раз меньше драгоценного тория. Новый метод настолько прост и дёшев, что открывает реальную перспективу создания компактных и доступных ядерных часов для массового применения.
Это означает, что сверхточные ядерные часы в будущем могут покинуть стены лабораторий. Их можно будет интегрировать в энергосети, вышки сотовой связи и спутники GPS. Более того, технология может стать настолько миниатюрной, что поместится в смартфоны или наручные часы, обеспечивая навигацию там, где сигнал GPS недоступен — в глубоком космосе или под водой, например, на подводных лодках.
До сих пор команда 15 лет работала над сложнейшим методом, заключавшимся в выращивании специальных кристаллов фторида, «заражённых» торием. Эти кристаллы стабилизировали торий и пропускали лазерный свет, но процесс был крайне трудоёмким. «Кристаллы очень сложно изготовить. На это уходит вечность, а минимальное количество тория, которое мы можем использовать, — 1 миллиграмм, что очень много, когда в наличии всего около 40 граммов», — пояснил постдокторант UCLA Рикки Элвелл, ведущий автор новой работы.
В новом исследовании учёные пошли совершенно другим путём, позаимствовав технику из ювелирного дела. С помощью гальваники — метода XIX века, использующего электрический ток, — они нанесли микроскопически тонкий слой тория на обычную нержавеющую сталь. «Раньше нам потребовалось пять лет, чтобы разобраться с кристаллами. А теперь мы получили те же результаты с помощью одной из старейших промышленных техник, используя в 1000 раз меньше тория. К тому же готовый продукт — это просто кусочек стали, и он гораздо проще хрупких кристаллов», — отметил Хадсон.
Успех пришёл после того, как исследователи поняли, что давнее научное предположение было ошибочным. Ранее считалось, что торий должен находиться в прозрачном материале, чтобы лазерный свет мог достичь и возбудить ядро. «В этой работе мы показали, что это просто не так, — объяснил Хадсон. — Мы всё ещё можем направить достаточно света в эти непрозрачные материалы, чтобы возбудить ядра у поверхности. А затем, вместо того чтобы испускать фотоны, как в кристаллах, они испускают электроны, которые можно зафиксировать, просто отслеживая электрический ток — а это едва ли не самое простое, что можно сделать в лаборатории!»
Помимо улучшения связи и энергосетей, сверхточные ядерные часы могут решить проблему национальной безопасности, обеспечив навигацию без уязвимого GPS. Они практически не чувствительны к внешним помехам, что критически важно для подводных лодок или космических кораблей. Как отмечают эксперты из Boeing и NASA, эта технология открывает путь не только к практическим применениям, но и к новым фундаментальным открытиям, например, к более точной проверке теории относительности Эйнштейна и установлению единого времени для всей Солнечной системы. Такая единая временная шкала, учитывающая релятивистские эффекты, решила бы проблемы синхронизации космических миссий, улучшила бы точность навигации и связи между планетами, а также упростила бы научные расчёты, такие как отслеживание астероидов или анализ данных с межпланетных зондов.
Источник: An old jeweler’s trick could change nuclear timekeeping