Лучшие атомные часы ошибаются меньше чем на секунду за время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Но за рекордную точность приходится платить сложностью установки: атомы нужно изолировать от посторонних электрических и магнитных полей с помощью вакуумных камер, экранов и другой лабораторной аппаратуры. Физики пытаются перенести отсчёт времени с электронной оболочки внутрь атомного ядра. Ядерный переход меньше зависит от окружающей среды, а сами атомы можно поместить в прозрачный кристалл.
Обычные атомные часы используют переходы электронов между энергетическими уровнями. Лазер настраивают на частоту, которая точно соответствует разнице энергий между двумя состояниями электрона. Частота перехода постоянна, поэтому её можно использовать как эталон для отсчёта времени. Проблема заключается в расположении электронов: электронная оболочка находится снаружи атома и чувствительна к электрическим и магнитным полям. Даже небольшое внешнее воздействие может сдвинуть энергетические уровни и изменить измеряемую частоту.
В ядерных часах опорной частотой служит переход между энергетическими состояниями атомного ядра. Электронная оболочка окружает ядро и частично защищает его от внешних полей. По оценкам физиков, ядерные часы в перспективе смогут примерно в десять раз превзойти лучшие атомные часы по точности. Для практических приборов важна и другая особенность: ядра можно разместить внутри твёрдого кристалла вместо удержания атомов в сложной вакуумной системе.
Почти все известные ядерные переходы требуют гамма-излучения с характеристиками, которые современные лазеры обеспечить не могут. Торий-229 выделяется среди других изотопов аномально низкой энергией возбуждённого состояния ядра. Переход можно возбуждать ультрафиолетовым лазером. В 2024 году физики впервые напрямую перевели ядра тория-229 в возбуждённое состояние с помощью лазерного излучения, после чего появилась возможность строить часы непосредственно на ядерной частоте. Термин «ядерные часы» уже используется в русскоязычной научной литературе для приборов, где опорой служит переход внутри ядра, а не электронный переход атома.
Для твердотельной версии часов потребовался материал, который удерживает торий-229 в стабильном положении и пропускает нужное ультрафиолетовое излучение. После примерно 15 лет экспериментов удалось отработать выращивание кристаллов фторида кальция CaF₂ с примесью тория-229. Готовые образцы имеют размер порядка нескольких миллиметров и внешне напоминают небольшие прозрачные кристаллы. Внутри находятся атомы тория, встроенные непосредственно в кристаллическую решётку. Фторид кальция уже используется в экспериментах с твердотельными ядерными часами на тории-229.
Одного присутствия тория в кристалле недостаточно. Атом тория может занять несколько разных позиций в кристаллической решётке. От конкретного положения зависит локальное электрическое поле вокруг ядра. Неравномерное поле сдвигает и расщепляет энергетические уровни, поэтому частота ядерного перехода перестаёт быть одинаковой для всех атомов. Для часов нужен участок решётки, где ядра тория находятся в максимально однородном электрическом окружении.
Физики проверили возможные положения тория с помощью специально созданного ультрафиолетового лазера. Кристалл 60 секунд облучали светом одной частоты, чтобы возбудить ядра тория-229. Затем лазер выключали и в течение пяти минут регистрировали излучение, возникающее при возвращении ядер в состояние с меньшей энергией. После каждого цикла частоту лазера меняли и повторяли измерение. Последовательное сканирование позволило увидеть, как разные группы атомов реагируют на излучение.
Эксперимент выявил четыре положения тория в кристаллической решётке. Три группы ядер испускали свет на нескольких длинах волн. Несколько спектральных линий указывают на расщепление уровней неоднородным электрическим полем. Для высокоточного эталона частоты такой эффект нежелателен, поскольку разные ядра начинают резонировать немного по-разному.
Четвёртая позиция дала одну спектральную линию. Ядра тория в данном участке решётки испытывают гораздо более однородное электрическое поле, поэтому ядерный переход сохраняет хорошо определённую частоту. Именно такое положение подходит для твердотельных ядерных часов лучше трёх остальных. Новая работа фактически показывает, где именно внутри кристалла нужно размещать торий, чтобы кристаллическая среда как можно меньше мешала отсчёту времени.
На основе тория-229 уже созданы первые работающие прототипы ядерных часов . В 2026 году две независимые группы продемонстрировали твердотельные системы с кристаллами фторида кальция. Одна использовала большую концентрацию тория, другая компенсировала меньшую концентрацию более мощным лазером. Обе схемы позволили связать частоту лазерного излучения с ядерным переходом тория-229.
По точности нынешние прототипы пока уступают лучшим оптическим атомным часам. Разработчики рассчитывают улучшить характеристики своих установок как минимум на три порядка, то есть примерно в тысячу раз, уже до конца года. Срок, когда ядерные часы смогут превзойти лучшие атомные системы, пока не определён.
Ближайшая инженерная задача связана не с рекордной точностью, а с уменьшением оборудования. Сначала лабораторную установку хотят сократить примерно до размеров обувной коробки, а в дальнейшем конструкцию рассчитывают разместить на небольшом чипе. Кристалл даёт для миниатюризации важное преимущество: огромное число ядер можно удерживать в фиксированных положениях внутри твёрдого вещества без отдельной электромагнитной ловушки для каждого атома.
Компактные ядерные часы пригодятся даже до выхода на предельную точность. Один из предполагаемых вариантов применения - дата-центры. Серверы, банковские системы и телекоммуникационное оборудование требуют точной синхронизации времени, а часть инфраструктуры получает опорный сигнал от спутниковых навигационных систем. При потере спутникового сигнала локальные высокостабильные часы смогут дольше сохранять точное время без внешней синхронизации. Установка размером с серверный модуль или небольшую коробку уже подходит для стойки в дата-центре, тогда как дальнейшая миниатюризация позволит перенести ядерный эталон времени на чип.