Физики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Йельского университета и Лос-Аламосской национальной лаборатории (все — США) представили новый вариант стандарта частоты, работающего на ядерном переходе тория-229.
Точность атомных часов определяется, напомним, естественной шириной перехода, по которому ведётся отсчёт, частотой, соответствующей этому переходу, и тем, насколько низким удаётся сделать воздействие возмущающих внешних факторов. Самыми точными считаются так называемые оптические стандарты частоты и времени, работающие на переходах с частотами в петагерцевом (1015) диапазоне. В случае обычных цезиевых часов частота составляет «всего» 9,2 ГГц.
Изотоп тория 229Th имеет изомерный уровень, лежащий чрезвычайно близко к основному состоянию, всего в (7,6 ± 0,5) эВ от него. Столь низкая энергия соответствует малой длине волны, попадающей в область вакуумного ультрафиолета, и очень большой частоте.
Часы на ядерном переходе будут заметно отличаться от привычных атомных, в рабочей области которых находится разреженный газ: торий планируется разместить в объёме твёрдого вещества. «Поскольку ядерные переходы проявляют меньшую зависимость от внешних влияний, чем атомные, мы рассчитываем создать стандарт частоты с использованием примесных атомов 229Th в высококачественном кристалле, — рассказывает один из авторов проекта Эрик Хадсон (Eric Hudson). — Сложные и дорогие установки, занимающие целую комнату, будут заменены одним кристаллом, работающим, возможно, при комнатной температуре». Предел точности в этом случае, добавляет г-н Хадсон, будут задавать взаимодействия с электронами, определяемые изменениями температуры кристалла. «К сожалению, даже самые детальные расчёты не позволяют точно оценить значимость этого эффекта, — говорит учёный. — Можно только построить действующую модель и провести эксперимент».
Исследователи, впрочем, уверены в том, что часы в любом случае не уступят по точности современным атомным.
Стоит заметить, что частоты ядерных переходов также обладают высокой чувствительностью к изменениям некоторых физических констант — к примеру, постоянной тонкой структуры. «Они примерно на шесть порядков более чувствительны, чем электронные переходы в атомных и оптических часах, — уточняет г-н Хадсон. — Следовательно, и при не слишком высокой точности измерений мы можем установить новые, более узкие пределы варьирования констант».
В число очевидных требований к кристаллам, которые будут содержать торий, входят прозрачность в вакуумной ультрафиолетовой области спектра и химическая «совместимость» с ионами Th4+. Такие свойства демонстрируют Na2ThF6, LiCaAlF6, LiSrAlF6, LiYF4, CaF2 и ряд других кристаллов. Авторы уже создали модель часов с использованием LiCaAlF6 и более доступного, чем 229Th, изотопа 232Th.