ядерные оптические часы

Маятник в этих часах качается не от пружины или гири, а от крошечного толчка внутри атомного ядра. Обычные атомные часы отсчитывают время по колебаниям электронов, но здесь маятником служит само ядро — плотный шарик из протонов и нейтронов. У тория-229 есть особый ядерный переход — изменение энергетического состояния ядра, — который можно «завести» светом.

Тиканье атомных часов подобно удару метронома, но роль маятника здесь исполняют колебания электронов в атоме. Двое таких часов — одни на основе иона иттербия, другие на атомах стронция — заставили звучать рядом и сравнили их ритм. Измерения велись почти два года.

Общая теория относительности, описывающая устройство Вселенной, не запрещает петли во времени. Но Стивен Хокинг выдвинул гипотезу о «защите хронологии»: квантовые эффекты должны разрушать такие петли, делая путешествия в прошлое невозможными.

Представьте два маятника, подвешенных на общей нити: толкните один — и второй начнёт раскачиваться, а спустя мгновение первый получит ответный толчок. В атоме тория-229 происходит нечто подобное: энергия почти без потерь перетекает между электронной оболочкой и ядром.

Самый точный маятник в мире — не стальной стержень, а крошечное атомное ядро. У изотопа тория-229 есть особое возбуждённое состояние: чтобы перевести ядро в него, нужно совсем немного энергии — примерно как у ультрафиолетового лазера.

Маятник, который почти ничто не может сбить, не боится ни тряски, ни тепла, ни магнитных полей — потому что спрятан в самой сердцевине атома. Именно такой маятник использовали физики, впервые запустив ядерные часы. Раньше лучшие часы — оптические — работали на переходах электронов. Но электроны живут на периферии атома, как бабочки на ветру: любое внешнее воздействие их тревожит.

Самые точные современные часы — атомные — отсчитывают время по переходам электронов между энергетическими уровнями. Однако их ход можно нарушить: подобно тому, как тряска сбивает ритм механического маятника, внешние поля влияют на электронные оболочки. Физики нашли более стабильный осциллятор — атомное ядро.

Глубоко внутри атомного ядра тория-229 спрятан тугой рычаг. Чтобы перевести его из одного положения в другое, нужно приложить усилие — и обычно это требует времени. У этого изотопа есть два очень близких энергетических уровня, и переход между ними можно вызвать лазерным импульсом.

Атомное ядро — это природная пружина колоссальной силы. Когда протоны и нейтроны внутри него перестраиваются, оно переходит в особое долгоживущее состояние — ядерный изомер (метастабильное состояние ядра с избыточной энергией). В нём запасена энергия, словно пружина сжата до предела.

В молекуле бензола электроны носятся вокруг ядер, как рой пчёл вокруг улья. Но этот рой не просто гудит — он пульсирует: каждые 856 аттосекунд электронное облако совершает полный цикл колебаний. А сам улей — ядра атомов углерода — качается медленнее, с периодом 36 фемтосекунд.

Маятник качается с такой точностью, что, отсчитывай он секунды от Большого взрыва, к сегодняшнему дню ошибся бы всего на полсекунды. Такова стабильность нового портативного ультрафиолетового лазера — сердца алюминиевых атомных часов. Этот лазер работает как сверхточная линейка для измерения частоты атомного перехода.

В подвалах четырёх европейских институтов стояли семь устройств — каждое можно сравнить с камертоном невообразимой точности. Только вместо звука они выдают «тиканье» из света: колебания лазера, запертого на определённой частоте атомами стронция, иттербия или ртути.

Ядро атома тория-229 подобно натянутой гитарной струне: оно вибрирует на строго определённой частоте. Чтобы «извлечь звук», нужен точный удар — луч лазера строго определённого цвета. Сама идея уходит корнями к открытию радиоактивности Эрнестом Резерфордом и Марией Кюри.

Часы — это не просто механизм со стрелками. В основе каждого атомного ядра лежит природный метроном: оно колеблется с почти идеальной равномерностью. Если поднять один такой ядерный метроном на пару метров, его ритм чуть ускорится из-за искривления времени — эффекта, предсказанного Эйнштейном в общей теории относительности.

Лазерный луч, по мощности сопоставимый с шёпотом света, перевёл ядро тория-229 в возбуждённое состояние с более высокой энергией.

Квантовый компьютер держит атомы в ловушках из света, как шарики в лунках. Чтобы прочитать ответ, нужно сфотографировать каждый атом и понять, светится он или нет. Раньше разбор такого снимка занимал столько времени, что компьютер простаивал. Теперь инженеры сделали специальную плату, которая смотрит на фотографию и мгновенно находит все атомы.

В молекуле, структурно подобной хлорофиллу и построенной из углерода, центральный атом металла действует как тумблер. Смещение этого атома на доли нанометра позволяет обратимо включать, гасить или усиливать люминесценцию молекулы в сотни раз.

Таможенник не может разобрать чемодан на части, чтобы узнать, что внутри. Он просвечивает его рентгеном и по теням на экране понимает: вот металл, вот органика. Примерно так же инспектор будущих договоров о ядерном разоружении должен проверять боеголовку — не открывая её и не видя секретной начинки. Нейтроны для такой проверки подходят лучше рентгена.

Крошечная частица плавает в луче лазера, как пылинка в свете фонарика. Её постоянно толкают молекулы воды — беспорядочно, со всех сторон. Обычно эти толчки мешают: частица дёргается, и точные измерения превращаются в лотерею. Но физики придумали, как обратить помеху в пользу.

Обычные атомные часы тикают, когда электрон перескакивает между уровнями энергии. Но внешние поля и толчки могут сбить этот ритм. Высокозаряженные ионы — атомы, у которых оторвали много электронов, — почти не замечают таких помех: их электроны сидят глубоко и крепко. Поэтому из них получаются сверхстабильные «маятники». Ион Cf17+ — это атом кюрия, у которого забрали 17 электронов.

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.

Термометр, который не врет годами. Обычные термометры сопротивления, даже очень точные, со временем начинают ошибаться: материал стареет, контакты окисляются, и показания уплывают. Новый квантовый термометр устроен иначе — он использует сами атомы рубидия как эталон.

Луч лазера проходит сквозь стеклянную кювету с парами рубидия — и по тому, как атомы поглощают свет, можно узнать их температуру. Это похоже на измерение скорости машин по размытию фотоснимка: чем быстрее движутся атомы, тем шире размывается линия поглощения.

Каждый атом обладает характерным «голосом» — частотой испускаемого света. У изотопов — атомов одного элемента с разным числом нейтронов в ядре — эти частоты слегка различаются. Представьте хор: если партитура известна до мелочей, любая фальшь укажет на внешнее вмешательство. График Кинга — метод сравнения того, насколько согласованно «поют» две спектральные линии разных изотопов.

Магнитный компас в пробирке — звучит как фокус, но это чистая физика. В растворе фумарата (соли яблочной кислоты) ядра углерода-13 ведут себя как крошечные волчки. Когда внешнее магнитное поле падает до 400 нанотесла — это в сто тысяч раз слабее поля Земли, — два уровня энергии этих волчков почти сливаются. Физики называют такую точку «избегаемое пересечение».

Нагрейте обычные кварцевые часы на десять градусов — и они начнут убегать на секунды в сутки. Атомные часы точнее, но занимают целый шкаф. Алмаз с крошечным дефектом — азотной вакансией — обещает точность атомных часов в объёме песчинки. Одна беда: этот дефект очень чувствителен к теплу, как камертон, который меняет тон от температуры воздуха. В новой работе дефект заставили петь на два голоса сразу.

Обычные атомные часы — это, по сути, оптический счётчик: они используют спектроскопию — метод, позволяющий с высокой точностью измерять частоту излучения при переходах электронов между энергетическими уровнями.

Измеренный дипольный момент тантала-181: 3,39 × 10⁻³² e·см — как заметить смещение на один атом в масштабе Солнечной системы. В типичном атомном ядре распределение заряда сферически симметрично, подобно идеально отцентрированному волчку.

Тонкая плёнка диоксида тория толщиной всего 10 нанометров нанесена на стальной диск. Лазерный импульс бьёт в неё, но вместо ожидаемого свечения детектор ловит поток электронов. Так впервые удалось увидеть ядерный переход тория-229 в материале, который полностью поглощает собственное излучение.