Направена е първата крачка за създаване на ядрен часовник

Експериментална установка

Цялата история на човешката цивилизация е свързана с подобряване на начина, по който измерваме времето и повишаване на точността на часовниците. Без това ще е немислимо и развитието на науката и техниката. Най-точните съвременни часовници се наричат атомни, защото използват разликите между енергиите на квантовите състояния на електроните в атома. Разликата се определя честотата на излъчване на атома при преминаването на електрон от едно състояние в друго, и може да се измери с помощта на електрониката и да се преобразува във времеви сигнали. Управляването на преходите в зависимост от енергията се осъществява посредством микровълново или лазерно излъчване. За създаването на такива часовници не всички атоми са подходящи, а само онези, които са малко чувствителни към различни външни взаимодействия. В най-разпространените устройства се използва цезий.

Съвременните атомни часовници, които работят например в системите на GPS, са изключително точни в измерването на времето: грешката им е само една секунда на 100 милиона години. Вече съществуват и експериментални образци на часовници с рекордна “непогрешимост”, които ще изостанат с 1 секунда за… 20 милиарда години, което може да се окаже период, надвишаващ живота на Вселената.

Но за съвършенството няма граници. Учените мечтаят да създадат още по-точни ядрени часовници, които използват разликите в енергиите между квантовите състояния на ядрата на атомите. Такива часовници ще са още по-малко чувствителни към влияние от околната среда, а точността им ще е десетки пъти по-голяма. От друга страна, разликите между квантовите нива на ядрата са значително по-големи, отколкото при електроните, което води до по-високи честоти на излъчване и възможността да се измерват все по-малки отрязъци от време (увеличава се честотата на “тиктакане” на часовника).

Освен обикновените сфери за употреба на часовници с подобна точност, може да се използват за изследване на квантовите корелации на атомите и частиците, а също и в търсенето на промени във фундаменталните константи, като постоянната на тънка структура или параметрите на връзките в квантовата хромодинамика.

Но и тук, както в случая с атомите, не всички ядра са подходящи. През 2003 година беше изказана идеята да се използват ядра на торий 229 (Th-229). Данните сочат, че то трябва да притежава уникална способност – най-ниското метастабилно ниво на възбуденото състояние по отношение към основното състояние (разликата трябва да е няколко електронволта). Такъв преход между състоянията може да се управлява с лазерно излъчване. Самото наличие на метастабилно състояние на ядрото (изомер) с необходимите параметри, в което може да пребивава за достатъчен период от време, също е благоприятно за създаването на часовник. В записването изомерите се обозначават с буквата m (от английското metastable). И за физиците остава само да открият предсказания изомер на торий Th-229m и да определят енергията му и времето му на живот.

Задачата се оказва трудна, защото торият е радиоактивен и не съществува в природата, защото много бързо се разпада. За възможното решение на задачата съобщават изследователи от Германия в статия, публикувана в последния брой на списание  Nature.  Екипът е успял да пръв път да открие изомера Th-229m, възникващ при делението на уран 233, както и да определят параметрите му. В частност, установили са, че времето за полуразпад на Th-229m надхвърля една минута, което прави възможно използването му за създаване на ядрени часовници. За да придобиете представа за важността на откритието, само ще отбележим, че различни екипи учени търсят този изомер вече от почти 40 години.

Но самото откритие е важната първа крачка по пътя към създаване на ядрени часовници. Тепърва физиците ще трябва да уточнят всички параметри на изомера, а после да разработят и технология за измерване на времето с негова помощ. За управление на преходите между състоянията на ядрото ще трябва да се създаде мощен лазер, работел в ултравиолетовата част на спектъра (с дължина на вълната под 200 нанометра), което само по себе си е доста сложна задача. Европейският съюз е поел егидата над международен проект, наречен nuClock, в рамките на който ще се извършва разработката на бъдещия ядрен часовник.