В 2008 году группа учёных под руководством Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) предложила схему использования лазера для возбуждения ядра атомов тория с целью создания чрезвычайно точных переносных часов. В прошлом году они реализовали эту давнюю цель, бомбардируя атомы тория, внедрённые в специализированные кристаллы фторида, лазером. Теперь они нашли способ значительно упростить и усилить процесс, заменив специализированные кристаллы на торий, гальванически нанесённый на сталь.
Впервые они заметили, что лазерное возбуждение ядра тория в этой системе приводит к появлению измеримого электрического тока, который можно использовать для миниатюризации ядерных часов. Это достижение необходимо для создания меньших и более эффективных атомных часов, которые давно искали для улучшения навигации, GPS, энергосистем и связи. Это также позволит провести одни из самых точных тестов фундаментальной физики.
Успех прошлого года был результатом работы, которой учёные занимались 50 лет. Команда UCLA сделала так, чтобы радиоактивные ядра тория поглощали и излучали фотоны подобно электронам в атоме.
Это достижение стало реализацией мечты, которую они впервые предложили в 2008 году, и, как ожидается, откроет новую эру высокоточного хронометража, что окажет значительное влияние на навигацию. Оно также может привести к новым научным открытиям, которые перепишут некоторые фундаментальные константы природы.
Однако есть нюанс: изотоп тория, который им нужен, торий-229, можно найти только в оружейном уране. По оценкам, в настоящее время во всём мире доступно для использования в ядерных часах всего около 40 граммов.
Теперь международная группа исследователей под руководством физика из UCLA Эрика Хадсона нашла способ использовать лишь малую часть тория для достижения тех же результатов, что и в их предыдущей работе со специализированными кристаллами.
Метод, разработанный командой и описанный в Nature, настолько прост и недорог, что может проложить путь к созданию ядерных часов настолько экономичных и компактных, что они однажды могут быть в наших телефонах или даже наручных часах, в дополнение к замене часов в наших энергосистемах, вышках сотовой связи и спутниках GPS. Их можно будет использовать для навигации в средах, где GPS недоступен, например, в глубоком космосе или на подводных лодках.
Группа Хадсона потратила 15 лет на разработку специализированных кристаллов с добавлением тория, которые позволили совершить прорыв в прошлом году. Электроосаждение, изобретённое в начале 1800-х годов, пропускало электрический ток через токопроводящий раствор для нанесения тонкого слоя атомов одного металла на другой. В ювелирном деле, например, серебро или золото гальванически наносят на менее драгоценную металлическую основу.
«Нам потребовалось пять лет, чтобы выяснить, как вырастить кристаллы фторида, и теперь мы поняли, как добиться тех же результатов с помощью одного из старейших промышленных методов и используя в 1000 раз меньше тория. Кроме того, готовый продукт — это, по сути, небольшой кусок стали, и он гораздо прочнее хрупких кристаллов», — сказал Хадсон.
Ключом к работе новой системы стало осознание того, что одно фундаментальное предположение было неверным. Стимулировать ядро достаточно лазером или возбудить его, чтобы наблюдать его переход в более высокое энергетическое состояние, было проще, чем кто-либо думал.
«Все всегда предполагали, что для возбуждения и последующего наблюдения ядерного перехода торий должен быть внедрён в материал, который был бы прозрачным для света, используемого для возбуждения ядра. В этой работе мы показали, что это просто не так», — сказал Хадсон.
«Мы всё ещё можем направить достаточно света в эти непрозрачные материалы, чтобы возбудить ядра вблизи поверхности, и тогда вместо того, чтобы излучать фотоны, как они это делают в прозрачном материале, таком как кристаллы, они излучают электроны, которые можно обнаружить, просто отслеживая электрический ток — а это, пожалуй, самое простое, что можно сделать в лаборатории!»
Помимо ожидаемого влияния на всё, начиная с коммуникационных технологий, синхронизации энергосистем и радиолокационных сетей, часы нового поколения давно искали в качестве решения проблемы, имеющей значительное влияние на национальную безопасность: навигации без GPS. Если злоумышленник или даже электромагнитный шторм выведет из строя достаточно спутников, все наши навигационные устройства с GPS откажут.
Подводные лодки, которые погружаются глубоко в океан, где спутниковые сигналы недостижимы, уже используют атомные часы для навигации, но нынешние часы недостаточно точны, и через несколько недель подводные лодки должны всплывать, чтобы проверить своё местоположение. В этих сложных условиях ядерные часы, которые лучше защищены от окружающей среды, превосходят нынешние атомные часы.
«Подход группы UCLA может помочь снизить стоимость и сложность будущих ядерных часов на основе тория», — сказал Макан Мохагег, руководитель оптических часов в Boeing Technology Innovation.
«Такие инновации могут способствовать созданию более компактных и высокостабильных часов, что актуально для нескольких аэрокосмических приложений».
И если земляне когда-нибудь захотят отправиться в космос, нам понадобятся ещё более совершенные часы по той же причине.
«Группа UCLA под руководством Эрика Хадсона проделала удивительную работу, выяснив жизнеспособный способ исследования ядерного перехода в тории — работа, продолжавшаяся более десяти лет. Эта работа открывает путь к созданию жизнеспособных часов на основе тория», — сказал Эрик Бёрт, возглавляющий проект высокопроизводительных атомных часов в Лаборатории реактивного движения NASA и не участвовавший в исследовании.
«По моему мнению, ядерные часы на основе тория могут также произвести революцию в фундаментальных физических измерениях, которые можно выполнять с помощью часов, таких как тесты теории относительности Эйнштейна. Благодаря своей низкой чувствительности к внешним возмущениям будущие часы на основе тория могут быть полезны для создания общесолнечной шкалы времени, необходимой для постоянного присутствия человека на других планетах».