Австрийские и немецкие учёные впервые зафиксировали возбуждение ядерного перехода тория-229 путём поглощения лазерного света, а не по последующему свечению кристалла. Для этого был задействован маломощный непрерывный лазер на длине волны около 148 нанометров мощностью в десятки пиковатт. По сути, эксперимент демонстрирует принципиально новую схему измерения: прямое поглощение ядра, а не флуоресценция, что в перспективе может привести к созданию ядерных часов, конкурирующих с современными атомными. Исследование опубликовано в Nature. [0, 1]

Проблема традиционных атомных часов состоит в том, что электронная оболочка атома весьма чувствительна к внешним воздействиям: электромагнитным полям, теплу и столкновениям, что не даёт идеальной устойчивости. Ядро же над ostensibly «укутано» оболочками и должно реагировать менее заметно на помехи, однако почти все известные ядерные переходы лежат в кило— или мегаэлектронвольтах — гамма-диапазоне, где лазеры пока недоступны или требуют огромной энергии. Эти ограничения делают идею ядерных часов пока теоретической и требующей новых решений. [1]

К решению пришли благодаря торию-229: у него переход на всего 8,4 электронвольта, что эквивалентно длине волны глубокого ультрафиолета, доступной обычному лазеру. До этого возбуждение ядра в кристаллах осуществляли импульсными вакуумно-ультрафиолетовыми источниками, но лишь часть фотонов попадала в узконаправленный переход. Ранее регистрировали по свечению кристалла, однако возбужденное состояние тория-229 в кристалле живёт долго — около 600 секунд, что значительно замедляло цикл измерения. [2]

Эккехард Пайк из ФТФ Брауншвейг и коллеги из Технического университета Вены создали непрерывный узкополосный твердотельный лазер на 148 нанометрах. Он последовательно преобразуется из 1187 нанометров до глубокого ультрафиолета 296,8 нанометра, а затем удваивается в кристалле тетраборита до 148,4 нанометра. Такая цепочная конверсия нужна из-за отсутствия прямого лазера на нужную длину волны. Потери на зеркалах и в кристалле снижаются до примерно 70 пиковатт — всё равно достаточно, чтобы напрямую измерить поглощение ядра тория. Лазер пропускали через кристалл фторида кальция с примесью тория-229 и фиксировали ослабление выходного луча. [3]

В экспериментах обнаружились две разные кристаллические конфигурации тория — D‑центр и O‑центр. D‑центр представляет собой димер тория в диэдральной симметрии окружения; для него зафиксировано пять линий переходов между уровнями углового момента ядра, с шириной от 339 до 472 килогерц. O‑центр — одиночный атом тория в октаэдрической симметрии, дающий одну нерасщеплённую линию шириной 1,1 мегагерца. Частоты двух центров отличаются на 3,99 мегагерца — это изомерный сдвиг, отражающий различную электронную плотность в разных окружениях. Результаты совпали с независимым расчётом методом теории функционала плотности, что подтверждает предложенные структуры центров. [4]

Особый интерес представляет O‑центр: по ширине и форме его спектра авторы оценивают верхнюю границу электрического градиента на ядре — менее 0,1 вольта на квадратный ангстрем, тогда как для D‑центра градиент порядка 100 вольт на квадратный ангстрем. Это означает, что частота перехода в O‑центре практически не зависит от небольших деформаций кристаллической решётки и такие кристаллы обещают большую устойчивость в практических условиях. Эти данные создают благодатную основу для часов на тории‑229 и подчёркивают различия между центрами по устойчивости к внешним воздействиям. [5]

Главный практический выигрыш нового подхода — скорость измерения поглощения. Раньше регистрация шла по флуоресценции и занимала продолжительное время, что мешало соперничать с атомными часами. Теперь цикл детектирования сокращён в разы, и авторы считают, что увеличение длины кристалла, размещение в оптическом резонаторе и увеличение мощности вакуумно‑ультрафиолетового лазера могут дать более чем двукратное повышение стабильности. По их оценке, нестабильность может достигнуть порядка 10−16, что ближе к современным оптическим атомным часам, хотя остаётся на 2–3 порядка хуже их текущих значений. [6]

Возможные применения ядерных часов включают тестирование гипотез о темной материи: по одной из версий такие часы могли бы взаимодействовать с темной материей и рассинхронизироваться с атомными в ходе прохождения Земли через галактику. Однако существуют и альтернативные способы обнаружения темной материи, и недавние данные по детектору LUX‑ZEPLIN демонстрируют другой ход научной дискуссии. Эти контекстуальные ремарки не служат доказательством эффекта, а лишь дополняют мотивацию исследования. [7]