Учёные создали ядерные часы на основе атомных ядер тория

[LinkToOS]

Из этой статьи ничего не понятно.

Ученые взяли перестраиваемый лазер на 1187 нанометров, и стабилизировали его с помощью оптического детектора на кристалле Th:CaF2.

Так как Th:CaF2 реагирует на длину волны 148 нанометра, ученые использовали многоступенчатый преобразователь для 8-кратного уменьшения длины волны, чтобы получить излучение 148 нанометров из излучения 1187 нанометров.

Для проверки стабильности полученного лазерного излучения использовали лазерное излучение с длиной волны 1542 нм, передаваемое по оптоволоконному каналу связи от Федерального управления метрологии и геодезии Австрии. И сказали что все очень хорошо.

[gravitytimewheel]

То что вы описываете это действительно очень тонкая и сложная работа. Фотоны которые излучаются при возврате ядра в основное состояние имеют ровно ту же энергию что и поглощенные. Это примерно 8.4 электронвольта что соответствует длине волны около 148 нанометров. Это глубокий ультрафиолет невидимый для глаза.

Идея сделать из этого лазер действительно захватывает умы физиков уже много лет. Важно понимать почему такой лазер был бы важен. Обычные лазеры работают на переходах между энергетическими уровнями электронов в атоме. А здесь мы говорим о переходе самого атомного ядра. Ядро гораздо меньше атома и гораздо сильнее защищено от внешних помех. Поэтому такой лазер или основанные на нем часы могли бы стать невероятно точными и стабильными. Они позволили бы проверять фундаментальные константы природы с невиданной ранее точностью и искать следы новой физики которая пока ускользает от нас.

Однако создать такой лазер очень трудно. Главная проблема в том что для лазера нужна так называемая инверсная заселенность. Это значит что в возбужденном состоянии должно находиться больше ядер чем в основном. Если просто светить лазером на торий то большинство ядер останется в основном состоянии. Оказывается напрямую этого добиться нельзя из-за квантовых правил.

Ученые предложили обходной путь. Идея в том чтобы использовать кристалл. Если поместить атомы тория в специальный кристалл например из фторида кальция или фторида лития-стронция-алюминия то электрическое поле кристалла расщепляет энергетические уровни ядра на подуровни. Это похоже на то как магнитное поле расщепляет спектральные линии. Благодаря этому расщеплению можно хитрым образом накачивать ядра лазером чтобы создать ту самую инверсную заселенность. Причем кристалл нужен еще и для того чтобы ядро при излучении фотона не теряло энергию на отдачу. Этот эффект называется эффектом Мессбауэра и он позволяет фотонам излучаться с точно нужной энергией без потерь.

Как идут работы сейчас. В 2024 году произошел настоящий прорыв. Ученым впервые удалось напрямую возбудить ядро тория-229 с помощью лазера. Это было очень сложно потому что точная энергия перехода была известна с большой погрешностью. Теперь когда точная частота найдена исследования пошли гораздо быстрее. В Европе есть специальный проект COCONUT который как раз нацелен на создание инверсной заселенности и запуск коллективного излучения то есть того самого лазера. Параллельно группы в разных странах работают над улучшением кристаллов и лазеров чтобы сделать накачку более эффективной. Так что путь к первому ядерному лазеру оптического диапазона хотя и непрост но вполне реален.