Первые ядерные часы заработали в Вене и Пекине после 50 лет поисков

Ядерные часы, отсчитывающие время с помощью ядра атома, а не его электронов, наконец-то пошли. В Вене лазер, захваченный ядрами тория, заключёнными в кристалл, поддерживал собственный ритм более суток без внешнего вмешательства, а команда в Пекине самостоятельно построила вторые такие же часы.

Это первые действующие ядерные часы — устройство, за которым физики охотились десятилетиями. Ядро крошечное и защищено собственным электронным облаком, поэтому блуждающие поля, тепло и вибрации почти не проникают к нему. Часы на его основе однажды смогут отсчитывать время стабильнее, чем атомные часы, управляющие спутниковой навигацией, интернетом и определением секунды.

Венские часы созданы группой Торстена Шумма (Thorsten Schumm) из TU Wien и группой Эккехарда Пайка (Ekkehard Peik) из PTB — немецкого национального метрологического института. Пекинские часы — работа команды Университета Цинхуа, которую возглавляет физик Дин Шицянь (Shiqian Ding); в работе участвовали ещё 13 китайских учреждений. Обе статьи вышли в одном номере Nature и используют один и тот же редкий изотоп — торий-229.

«Создание ядерных часов было тем, о чём физики мечтали почти 50 лет», — сказал Шумм Reuters. Его собственная группа работает над этим с 2008 года.

Как кристалл и лазер отсчитывают время

Каждым часам нужен элемент, колеблющийся с фиксированной частотой. В маятниковых часах это маятник. В атомных часах — свет, который поглощает электрон, перескакивая между двумя энергетическими уровнями; в лучших современных оптических часах этот свет колеблется гораздо быстрее любой механической детали.

Ядерные часы переносят эту задачу в ядро. Протоны и нейтроны тоже имеют энергетические уровни, но почти все они расположены слишком высоко, чтобы их можно было достичь лазером. Торий-229 — исключение: его ядро имеет возбуждённое состояние, достаточно низкое, чтобы его можно было возбудить вакуумным ультрафиолетовым светом с длиной волны около 148 нанометров. Попасть в него всё ещё трудно. Лазер должен совпадать с энергией перехода с точностью до одной миллионной электронвольта, сообщает PTB.

Команда Шумма вырастила кристаллы фторида кальция, легированные торием-229 — кусочки миллиметрового размера, содержащие огромное количество ядер при комнатной температуре. «Основная идея проста: у вас есть лазер и есть торий», — сказал Шумм. Ядра поглощают свет только на одной точной частоте. Если лазер дрейфует, например, из-за небольшого нагрева помещения, кристалл поглощает меньше, детектор регистрирует падение, и цепь обратной связи возвращает лазер обратно. Ядра становятся эталоном, а скорректированная частота лазера — тиком часов.

Два технических изменения сделали это возможным. PTB и Институт Макса Борна в Берлине создали компактный твердотельный лазер непрерывного излучения; прежняя система занимала несколько квадратных метров оптических столов и работала только импульсами. Команды также отказались от подсчёта слабого свечения, которое ядра испускают после возбуждения — на это уходило около десяти минут, слишком медленно для управления лазером. Вместо этого они измеряют, сколько лазерной мощности поглощает кристалл — сигнал достаточно быстрый, чтобы замкнуть петлю.

Вена против Пекина

Венские часы работали более 24 часов без присмотра, пока их сравнивали с обычными оптическими атомными часами. Их относительная нестабильность составила около 3 × 10⁻¹² за одну секунду усреднения, и этот разброс уменьшался до 10⁻¹⁵ за сутки. В TU Wien это переводят в погрешность примерно в одну секунду за 30 миллионов лет — цифра, полученная за суточный прогон, а не наблюдавшаяся миллионы лет.

Пекинские часы стабильнее на коротких интервалах. Их нестабильность за одну секунду примерно в шесть раз ниже, чем у венских, согласно данным, опубликованным Physics World. Пекинская команда построила собственный непрерывный лазер на 148,4 нанометра с большей мощностью и научилась выращивать маленькие кристаллы всего из 1,4 микрограмма тория-229, поскольку Китай имеет ограниченный доступ к изотопу. Два независимо выращенных кристалла дали одинаковую частоту перехода, которая также совпала с более ранними измерениями JILA в Колорадо.

Шумм считает два результата взаимодополняющими. Венские кристаллы содержат более высокую концентрацию тория и обладают лучшими оптическими свойствами, сказал он Reuters, тогда как у пекинской команды более мощный лазер. «Так что, уже объединив эти компоненты, мы можем построить значительно лучшие часы», — заявил он.

«Две команды работали независимо и одновременно создали действующие ядерные часы на тории-229, используя разные экспериментальные подходы», — отмечает Дин в комментарии Reuters. По оценке физика из Цинхуа, это показывает «надёжность концепции».

Что эти часы пока не умеют

Ни одни часы не превосходят атомные часы, с которыми их сравнивали. «Это пока не уровень лучших в мире оптических атомных часов», — сказал Шумм. Пайк выразился более резко в объявлении PTB: стабильность «пока не устанавливает никаких мировых рекордов».

Самый большой разрыв — острота резонанса. «Мы наблюдали ширину линии 30 кГц, но естественная ширина линии должна быть значительно ниже 1 Гц», — сказал Пайк Physics World. Размытый резонанс означает размытый тик. Сам кристалл — часть загадки: торий находится в нескольких различных положениях в решётке фторида кальция, и команды всё ещё выясняют, как это влияет на резонанс. По словам физика из Цинхуа, кристаллы-хозяева из фторида кальция ограничивают производительность и необходимы лучшие материалы-хозяева.

Оба устройства также являются лабораторными прототипами. Они зависят от эталонных часов для сравнения, от специальных ультрафиолетовых лазеров и изотопа, который трудно получить. До прочного устройства, которое можно было бы установить на корабль, спутник или в центр обработки данных, ещё долгий инженерный путь.

Почему физикам нужны лучшие часы

Часы уже определяют больше аспектов повседневной жизни, чем замечает большинство людей. Спутниковая навигация вычисляет положение по крошечным различиям во времени сигналов. Сети передачи данных синхронизируются по атомному времени. Геодезисты и геофизики используют тот факт, что часы идут с разной скоростью на разной высоте в гравитационном поле Земли.

Ядерные часы добавляют две вещи. Во-первых, твердотельная конструкция без захваченных атомов или ионов в вакуумной камере может со временем сделать точное хронометрирование более компактным и надёжным. Во-вторых, переход тория зависит от сил внутри ядра, поэтому он должен реагировать гораздо сильнее, чем атомные переходы, если какая-либо константа природы дрейфует или если какая-то форма тёмной материи воздействует на обычную материю. Венская команда уже провела этот тест со своим прототипом. Сигнала тёмной материи обнаружено не было, но их ограничения на связь тёмной материи со светом и сильным взаимодействием уже сопоставимы с ограничениями, установленными лучшими атомными часами.

Виктор Фламбаум (Victor Flambaum) из Университета Нового Южного Уэльса, не участвовавший в работе, назвал устройства «первыми прототипами ядерных часов». Вердикт Шумма был шире: «Это открывает доступ к целой новой физической вселенной».

Часто задаваемые вопросы о ядерных часах

Что такое ядерные часы?

Ядерные часы отсчитывают время, используя переход внутри атомного ядра вместо скачка между электронными энергетическими уровнями. Лазер настраивается на точную частоту, которую поглощает ядро, и эта частота становится тиком часов. Торий-229 — единственное известное ядро с переходом, достаточно низким по энергии, чтобы его можно было достичь лазером.

Радиоактивны ли ядерные часы или опасны?

Они не имеют ничего общего с делением или синтезом и не производят ядерной энергии. Торий-229 — радиоактивный изотоп, но часы используют крошечные его количества, запертые внутри кристалла, а лазер лишь слегка подталкивает ядро в состояние с чуть более высокой энергией.

Ядерные часы точнее атомных?

Пока нет. Венский и пекинский прототипы менее стабильны, чем лучшие оптические атомные часы. Ожидается, что ядро, будучи гораздо меньше и лучше защищено, чем электронная оболочка, в конечном итоге позволит добиться более высокой производительности, когда лазеры и кристаллы улучшатся.

Для чего можно использовать ядерные часы?

Исследователи указывают на спутниковую навигацию, синхронизацию сетей, геодезию и фундаментальную физику. Поскольку переход тория чрезвычайно чувствителен к силам внутри ядра, эти часы также являются инструментами для поиска тёмной материи и изменений констант природы.

Более мощные лазеры, лучшие кристаллы, одиночные ионы

Ядро тория впервые возбудили лазером в апреле 2024 года команды Шумма и Пайка — спустя десятилетия после того, как Пайк предложил принцип ядерных часов в 2003 году. Той же осенью установку соединили с обычными оптическими атомными часами. Самоподдерживающиеся венские часы описаны в статье в Nature, опубликованной 7 октября 2026 года, вместе со статьёй Цинхуа в том же номере и сопутствующим исследованием PTB и TU Wien по поглощению непрерывного лазерного излучения ядром тория, опубликованным в Nature в сентябре.

Следующие шаги конкретны. Группа Пайка планирует увеличить мощность лазера, улучшить отношение сигнал/шум детектора и составить карту расположения тория в кристалле, чтобы выяснить, что размывает резонанс. Пекинская команда ищет кристаллы-хозяева лучше, чем фторид кальция, и заинтересована в часах на основе одиночных захваченных ионов тория, что, по оценке физика из Цинхуа, «технически гораздо сложнее», но, возможно, путь к наивысшей точности.

References: Toscani De Col et al., «A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,» Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., «A nuclear clock synchronized to 229Th,» Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Теги: физика, PTB, thorium-229, Tsinghua University, TU Wien, атомные часы