В журнале Nature опубликованы результаты работы исследовательской группы Венского технического университета (TU Wien) совместно с немецким национальным метрологическим институтом PTB Braunschweig. Физикам впервые удалось создать ядерные часы, которые автоматически корректируют частоту собственного лазера по сигналу от атомных ядер тория-229 и проработали без какого-либо вмешательства человека более 24 часов подряд. Это принципиально новая ступень в измерении времени: впервые эталоном для стабилизации лазера служит не электронная оболочка атома, как в традиционных атомных часах, а само атомное ядро.

От электронов к ядру: почему это прорыв

Самые точные часы современности — атомные — уже более семидесяти лет отсчитывают время по переходам между энергетическими уровнями электронов в атомах. На них держатся спутниковая навигация, системы связи и официальное определение секунды. Однако физики давно предполагали: если использовать для отсчёта не электронное облако, а атомное ядро, точность может оказаться принципиально выше. Ядро в десятки тысяч раз меньше атома и гораздо слабее реагирует на внешние электрические и магнитные помехи. Ещё в 2003 году сотрудники PTB Экхард Пайк и Кристиан Тамм предложили идею ядерных часов на основе тория-229.

Уникальность тория-229 в том, что это единственный известный изотоп, у которого два энергетических состояния ядра разделены настолько малым промежутком, что для перевода ядра из одного состояния в другое достаточно обычного лазера, а не мощного ускорителя. В апреле 2024 года команды Пайка и профессора Венского технического университета Торстена Шумма впервые в мире экспериментально подтвердили этот ядерный переход, а уже осенью того же года показали, что возбуждённые ядра тория можно использовать для отсчёта времени, привязав установку к обычным оптическим атомным часам.

Ключевой шаг: обратная связь и автономность

Однако до последнего времени ядерные часы не были самостоятельными: ядро служило лишь «пассивным» эталоном, а стабильность лазера обеспечивалась внешними атомными часами. Главная задача, которую предстояло решить, формулировалась просто: «То, что вам действительно нужно, — это самоподдерживающиеся ядерные часы, — объясняет профессор Шумм. — Основная идея проста: у вас есть лазер и есть торий. Лазер меняет энергетическое состояние ядер тория, а ядра тория используются для стабилизации частоты лазера».

Решение, реализованное в Вене, выглядит так. Ядра тория-229 внедрены в кристалл фторида кальция размером всего несколько миллиметров. Кристалл работает при комнатной температуре, без сложного охлаждения, что само по себе является важным преимуществом для практического применения. Кристалл облучают лазером с длиной волны 148 нанометров — в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне. Когда частота лазера точно совпадает с частотой ядерного перехода, кристалл поглощает часть света. Как только частота лазера начинает смещаться — например, из-за колебаний температуры — поглощение заметно падает. Этот сигнал рассогласования автоматически запускает корректировку частоты лазера, возвращая её в резонанс с ядром. Так впервые в истории ядерный переход используется не как пассивная мишень, а как активный элемент обратной связи, управляющий собственным лазером.

Именно эта обратная связь и обеспечила автономность. В ходе эксперимента ядерные часы оставались в рабочем состоянии более 24 часов без ручного вмешательства, автоматически компенсируя медленный дрейф частоты лазера.

Что показали измерения

Стабильность частоты, достигнутая за сутки непрерывной работы, приблизилась к уровню 10⁻¹⁵. В упрощённом выражении это соответствует отклонению примерно в одну секунду за 30 миллионов лет. Однако авторы подчёркивают: речь идёт именно о стабильности частоты, а не о демонстрации абсолютной точности хода на таком интервале. Прототип пока уступает лучшим оптическим атомным часам по общей точности, а от запуска к запуску его результаты немного варьировались. Причина, как выяснили исследователи, кроется в кристалле: лазер каждый раз проходит через чуть разные его участки, а свойства кристалла в разных местах слегка отличаются.

Чтобы проверить корректность работы, физики сравнивали частоту своих ядерных часов с атомными часами на ионе иттербия, расположенными в Федеральном ведомстве метрологии Австрии; сигнал передавался по оптоволокну. Кроме того, ядерные часы уже использовались для поиска следов тёмной материи — некоторые теории предполагают, что её взаимодействие с обычным веществом может вызывать чрезвычайно слабые сдвиги частот ядерных переходов. Пока обнаружить такие сигналы не удалось, но полученные ограничения уже имеют научную ценность.

Контекст и значение

Разработка венской группы — не единственная в своём роде. Параллельно и независимо аналогичные работающие ядерные часы на тории-229 созданы в Пекине командой Университета Цинхуа. По предварительным данным, китайский прибор оказался примерно в шесть раз стабильнее венского на текущем этапе. Обе работы опубликованы в одном номере Nature, и сами исследователи называют ситуацию «жёсткой, но дружественной конкуренцией». Для фундаментальной науки важен сам факт независимого подтверждения: две разные команды, используя схожий физический принцип, но разные технические решения, пришли к работающим устройствам. Это свидетельствует о том, что идея ядерных часов на тории-229 действительно состоятельна.

Практический потенциал технологии выходит далеко за пределы лабораторий. Твердотельные ядерные часы на кристаллах способны стать значительно более компактными, устойчивыми к внешним воздействиям и простыми в эксплуатации, чем современные оптические атомные часы, которые остаются сложными лабораторными системами. Если эту точность удастся вывести из специализированных лабораторий в реальный мир, она найдёт применение в спутниковой навигации нового поколения, геодезии, дальней космической связи и высокоточных испытаниях фундаментальных физических законов. Авторы венского проекта ожидают, что точность их часов можно улучшить на несколько порядков за счёт более мощных ультрафиолетовых лазеров и более длинных однородных кристаллов, легированных торием.

Таким образом, 7 октября 2026 года можно считать датой, когда ядерные часы перестали быть теоретической конструкцией и превратились в работающий физический прибор. Впервые время отсчитывается по колебаниям атомного ядра, и впервые этот процесс поддерживает себя сам — без внешнего эталона и без участия человека.