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.
