Атомное ядро обычно живёт в одном энергетическом состоянии, как мяч, лежащий на полу. Но у тория-229 есть редкое исключение: ядро может застрять на крошечной ступеньке над полом — в так называемом изомерном состоянии. Эта ступенька настолько низкая, что её можно задеть обычным светом, а не жёстким излучением. Именно поэтому изомер тория-229 стал главным кандидатом для ядерных часов — прибора, который отсчитывает время по колебаниям самого ядра, а не электронов вокруг него.

Проблема в том, как загнать ядро на эту ступеньку. Прямое попадание — как закинуть мяч точно на узкий выступ — требует снайперской точности и случается редко. Учёные предложили обходной путь: сначала подбросить мяч высоко вверх, а потом дать ему упасть и зацепиться за ступеньку по дороге вниз. В мире атомов это выглядит так: электрон врезается в ядро и переводит его на высокий энергетический уровень, а затем ядро само спускается по каскаду переходов и с некоторой вероятностью останавливается на изомерной ступеньке.

Расчёты для двух устройств — накопительных колец (где ионы тория крутятся по кругу) и электронно-лучевых ионных ловушек (где ионы удерживаются в облаке электронов) — показали, что каскадный путь увеличивает выход изомеров в десятки тысяч раз по сравнению с прямым возбуждением. Электронный удар с последующим каскадом даёт усиление до десяти тысяч, а захват электрона ядром — ещё в несколько десятков раз. Такой скачок делает производство изомеров тория-229 практичным, а вместе с ним приближает и создание ядерных часов.

Ториевый маятник, который сейчас так трудно завести, в будущем может качаться в каждом метрологическом центре — и отсчитывать время с точностью, недоступной нынешним приборам. А начинается всё с того, что мы научились ловить атомное эхо на ступеньке энергетической лестницы.