Группа физиков впервые продемонстрировала работоспособные ядерные часы — устройство для измерения времени, основанное не на переходах электронов между энергетическими уровнями, как в современных атомных часах, а на переходах внутри атомного ядра. Идея таких часов была предложена ещё несколько десятилетий назад, однако реализовать её на практике удалось только сейчас.

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Источник изображения: ChatGPT

Современные атомные часы считаются самыми точными измерительными приборами в мире. Они отслеживают частоту переходов электронов между энергетическими состояниями в атомах цезия или рубидия и способны ошибаться менее чем на одну секунду за сотни миллионов лет работы. Однако ядерные часы используют иной принцип: их «маятником» служат колебания атомного ядра.

Ключевым элементом нового устройства стал изотоп тория-229. Его уникальная особенность заключается в наличии чрезвычайно низкоэнергетического ядерного перехода между основным и возбуждённым состояниями ядра. Энергия этого перехода составляет около 8,4 эВ, что позволяет возбуждать его с помощью ультрафиолетового лазера. Большинство известных ядерных переходов сопровождаются испусканием высокоэнергетических гамма-квантов, поэтому управлять ими при помощи лазеров невозможно. Торий-229 оказался редким исключением, благодаря чему исследователи смогли использовать его в качестве основы для нового устройства.

В созданном прототипе часов лазер настраивается на строго определённую частоту, соответствующую переходу ядра тория-229. Поглощение и последующее переизлучение фотонов формируют стабильные колебания, которые выполняют роль «тиков» часов.

В новом эксперименте ядра тория-229 были встроены в кристалл фторида кальция. Этот материал прозрачен для ультрафиолетового излучения нужной длины волны и надёжно фиксирует атомы в кристаллической решётке, снижая влияние тепловых колебаний. Сигнал часов формируется коллективными колебаниями большого количества ядер одновременно, что улучшает точность измерений.

Учёные считают, что в перспективе ядерные часы смогут превзойти атомные по стабильности. Поскольку размеры атомного ядра в тысячи раз меньше размеров электронной оболочки, оно значительно слабее подвержено влиянию внешних электромагнитных полей и других факторов окружающей среды, способных вносить погрешности в измерения.

Концепция ядерных часов была предложена ещё в 1970-х годах, однако долгое время её реализацию сдерживало отсутствие точных данных о характеристиках перехода в тории-229. Лишь в последние годы серия экспериментов позволила определить его параметры с необходимой точностью. В 2024 году исследователи из совместного института JILA, созданного при участии Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий США (NIST), смогли достаточно точно измерить частоту перехода для последующего лазерного возбуждения ядра.

Авторы работы подчёркивают, что нынешний прототип пока уступает лучшим оптическим атомным часам по точности. Однако сам факт создания работоспособной архитектуры рассматривается как важнейший шаг вперёд. Дальнейшее совершенствование лазерных систем и повышение качества кристаллов должно значительно улучшить характеристики устройства.

Помимо сверхточного измерения времени, ядерные часы могут стать новым инструментом фундаментальной физики. В отличие от атомных часов, чувствительных главным образом к электромагнитным взаимодействиям, ядро напрямую связано со слабыми и сильными ядерными взаимодействиями. Благодаря этому такие приборы способны регистрировать чрезвычайно малые изменения фундаментальных физических констант.

Исследователи считают, что сравнение показаний ядерных и оптических атомных часов может помочь в поисках сверхлёгкой тёмной материи. Согласно ряду теоретических моделей, она способна вызывать едва заметные периодические изменения фундаментальных констант по мере движения Земли через соответствующие поля. Кроме того, новые часы могут использоваться для проверки гипотез о возможном изменении физических констант на космологических временных масштабах, что имеет непосредственное отношение к исследованиям тёмной энергии и эволюции Вселенной.

Правительство США рассчитывает официальное время страны, используя более десятка атомных часов на федеральном объекте к северо-западу от Денвера. На прошлой неделе ураган обесточил лабораторию Национального института стандартов и технологий (NIST). В результате, по словам представителя NIST, «время NIST UTC [универсальное координированное время] оказалось на 4,8 микросекунды медленнее, чем должно было быть».

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Источник изображения: unsplash.com

С 2007 года официальное время в США определяется министерством торговли, которое курирует NIST, совместно с ВМС США. Национальный стандарт времени известен как NIST UTC. При этом UTC является отдельным глобальным стандартом времени, в который США и другие страны вносят согласованные измерения.

В настоящее время NIST рассчитывает время, используя взвешенное среднее из показаний 16 атомных часов, расположенных в институтском кампусе в Боулдере. Атомные часы, включая водородные мазеры и цезиевые часы, используют естественные резонансные частоты атомов для определения времени с чрезвычайно высокой точностью.

Источник изображения: NIST

Во время отключения электроэнергии все атомные часы продолжали работать благодаря своим системам резервного питания, сообщил руководитель исследовательского отдела NIST Джефф Шерман (Jeff Sherman). По его словам, сбой заключается в нарушении связи и расхождении показаний между некоторыми часами и системами измерения и распределения NIST.

По словам Шермана, временной дрейф в 4,8 микросекунды слишком мал, чтобы иметь значение для широкой публики, но он может серьёзно нарушить работу приложений, связанных с критической инфраструктурой, телекоммуникациями, сигналами GPS и многим другим. Поэтому NIST предоставил таким «высококлассным» пользователям доступ к другим сетям синхронизации времени и уведомил их о сбое.

4,8 микросекунды — это чуть меньше 5 миллионных долей секунды. Для того, чтобы моргнуть, человеку требуется около 350 000 микросекунд.

На ежегодном мероприятии Annual IEEE International Electron Devices Meeting (71-м по счёту) представлено интересное и чрезвычайно перспективное решение — кремниевые часы с точностью, почти сравнимой с атомными. Разработка на порядки меньше и значительно энергоэффективнее современных атомных часов — вплоть до возможности установки в смартфоны, что позволит связи и навигации шагнуть далеко вперёд по скорости и точности.

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Источник изображения: Matthew Parker

Устройство создали исследователи Университета Мичигана (University of Michigan). В своей основе это MEMS (микроэлектромеханическая система). Часы имеют размер меньше кубика сахара, что резко контрастирует с лабораторными атомными часами размером со шкаф. Разработка также выгодно выделяется на фоне современных электронных часов, например продукции компании SiTime. Новинка проще и работает на основе фундаментальных законов физики, а не за счёт изощрённых электронных схем.

Новые часы используют вибрации кремниевой пластины с пьезоэлектрической плёнкой — это генерирует базовый временной сигнал. Прорыв обеспечило легирование кремния фосфором, что сделало материал физически устойчивым к температурным изменениям и позволило электронике активно корректировать дрейф частоты.

Второй находкой стало использование встроенного датчика температуры. Электроника обнаруживает изменения и автоматически регулирует нагреватель, а также вносит коррекции в физические свойства кремниевой плёнки, электрически изменяя её жёсткость, что компенсирует внешние воздействия. В диапазоне температур от −40 °C до +85 °C частота практически не меняется. После 8 часов работы отклонение составляет всего 102 наносекунды, что при линейном масштабировании на неделю даёт дрейф чуть более 2 микросекунд. Это в 100 раз точнее существующих коммерческих MEMS-генераторов (например, от SiTime).

По сравнению с атомными часами разработка по точности уступает лучшим лабораторным моделям на несколько порядков, но сопоставима со стабильностью миниатюрных атомных часов, при этом занимая в десятки раз меньше места и потребляя в 10–20 раз меньше энергии. Атомные часы требуют серьёзной изоляции от окружающей среды и отличаются высоким энергопотреблением, что делает их непригодными для компактных устройств.

Разработка финансируется DARPA с целью создания часов, отклоняющихся не более чем на 1 мкс за неделю. Такие часы могут в корне изменить работу электроники там, где GPS недоступен: в космосе и под водой. Наконец, станет возможным устанавливать более точные часы в смартфоны, гарантируя повышение скорости передачи пакетов, что будет востребовано в будущем по мере роста скоростей передачи данных.

Глубина понимания основ мироздания ограничена точностью научных инструментов. Чем они точнее, тем больше учёные узнают о свойствах материи. Предел был достигнут при изучении квантовых явлений, точность измерения которых совпадала с расчётами до 12 знаков после запятой. Учёные из Национального института стандартов и технологий США (NIST) позволят заглянуть дальше. Для этого они создали самые совершенные атомные часы с точностью до 19 цифры после запятой.

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Источник изображений: NIST

Исследователи из NIST около 20 лет совершенствуют свои атомные часы на основе иона алюминия. Ион алюминия может «тикать» с самой высокой частотой, превосходя по этому параметру и стабильности популярные среди учёных атомные часы на основе цезия. Однако в работе с ионами алюминия существует другая проблема — их очень сложно охлаждать и измерять, хотя они малочувствительны к магнитным полям и колебаниям температуры. Чтобы «приручить» ионы алюминия и заставить их отсчитывать время, пришлось разработать особую ионную ловушку, на модернизацию которой ушли многие годы исследований.

Финальная на сегодняшний день разработка представляет собой утолщённое алмазное основание и более толстые электроды из золота, которые помогли «рассасывать» паразитные электромагнитные поля на противоположных контактах ловушки. Поскольку напрямую ион алюминия сложно обнаружить и измерить его частоту — «тиканье», учёные добавили в ловушку компаньона — ион магния. Ион магния помог снизить температуру колебаний иона алюминия — охлаждал его, а также служил своеобразным зондом для считывания характеристик иона алюминия.

Оба иона были тесно связаны в ловушке ядерными взаимодействиями и известным образом влияли друг на друга. Для считывания состояний иона магния использовалась квантово-логическая спектроскопия. Выше, на снимке во врезке, можно чётко проследить заряд иона магния, тогда как для иона алюминия известна только примерная область его нахождения (обведена зелёным кружком).

В паре с ионом магния ион алюминия, возбуждаемый высокостабильным лазером от установки JILA (оптический канал от которой пришлось тянуть по подземным коммуникациям на расстояние 3,6 км), продемонстрировал чрезвычайную стабильность, устойчивость колебаний и невероятную точность «тиканья». Это позволяет говорить о новом рекорде в точности атомных часов — до 19-го знака после запятой, или на 40 % точнее, чем в предыдущих платформах.

Новые часы позволяют измерять время намного быстрее прежних. В частности, если раньше на каждое измерение уходили недели, то теперь оно сократилось до полутора суток. Ограничивающим фактором было небольшое время удержания возбужденного состояния иона — на уровне всего 150 мс. Модернизация установки увеличила это время до одной секунды.

Невиданная ранее точность и стабильность отсчёта времени позволит продвинуться дальше в развитии фундаментальной физики, обеспечив углублённый поиск нарушений в свойствах элементарных частиц в рамках современной Стандартной модели. Наука считает свойства частиц неизменными, но это могло быть результатом недостаточно точных измерений. Новые, более совершенные атомные часы помогут это проверить. Также они окажутся полезными для разработки квантовой логики, оценки эффективности квантовых архитектур и во многих других областях физических наук. В конечном итоге они позволят задавать Вселенной правильные вопросы.

Как доказали Эйнштейн и последующие наблюдения, время неотделимо от пространства и гравитации. Часы будут «тикать» с разной скоростью на Земле, Луне и в открытом космосе. Чем легче небесное тело, тем быстрее идут на нём атомные часы — инструмент не только для ориентации людей во времени, но также мерило задержки сигнала и опора для ориентации в пространстве. Для космоса нужен свой подход, что стало поводом для создания особого стандарта времени.

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Источник изображения: techspot.com

Проблематикой занялся Национальный институт стандартов и технологий США (NIST). Как известно, под руководством NASA разворачиваются этапы программы Artemis по возвращению человека на Луну, включая создание там баз постоянного присутствия. Атомные часы на естественном спутнике Земли каждые сутки убегают вперёд на 56 мкс. «Лунные» часы можно было бы синхронизировать с атомными часами на Земле — технически это легко достижимо. Однако в NIST посчитали такой подход неоправданным. Будет проще ввести лунную зону времени и использовать её для определения времени и работы систем позиционирования на поверхности и орбитах Луны. При подлёте к Луне достаточно будет один раз перевести часы и забыть о проблеме.

Установление единого лунного времени необходимо, прежде всего, для создания лунного GPS. Это позволит совершать высокоточные посадки с погрешностью в несколько метров. Такая возможность будет особенно важна для освоения южного полюса Луны, где очень сложный рельеф, и благодаря ему в вечной темноте кратеров может оставаться водяной лёд.

В перспективе новый космический стандарт времени может быть использован для работ на Марсе и в открытом космосе, а также глубоко в Солнечной системе. Но пока на повестке дня стоит освоение Луны. В ближайшие два десятка лет там станет достаточно оживлённо, особенно на орбите. Единая система отсчёта времени будет нужна там как воздух, чтобы все станции и спутники были на «одной волне» и не рисковали столкнуться.

Учёные Объединённого института лабораторной астрофизики (JILA, США) построили самые точные на сегодняшний день атомные часы — если запустить их на время, вдвое превышающее текущий возраст Вселенной, они собьются лишь на одну секунду. Это поможет улучшить навигационные сервисы и помочь в исследовании вызванных гравитацией искажений в течении времени на малых расстояниях.

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Источник изображения: nist.gov

Принцип работы атомных часов основан на подсчёте колебаний атомов — это крайне предсказуемые события. Например, атомы цезия-133 совершают 9 192 631 770 колебаний в секунду, и с 1967 года это используется для официального определения секунды. Атомные часы на основе этого элемента сбиваются на одну секунду за 300 млн лет.

Учёные JILA построили атомные часы, которые намного точнее. Проект основан на нескольких разработках, которые исследователи создали за последние годы. В приборе используются атомы не цезия, а стронция, которые колеблются 429 трлн раз в секунду; а измерения производятся при помощи не микроволн, а видимого света, волна которого имеет более высокую частоту.

Десятки тысяч атомов стронция заключаются в мягкую «световую решётку», которая помогает значительно повысить точность атомных часов, потому что отсутствуют два источника ошибок: влияние лазерного излучения и столкновения атомов друг с другом. В результате точность прибора составляет 8,1 единицы к 10 квинтиллионам. Другими словами, такие часы дадут сбой на одну секунду, проработав 30 миллиардов лет — это более чем вдвое превосходит текущий возраст Вселенной.

Такая высокая точность поможет, например, улучшить работу систем связи и спутниковой навигации. Она окажется полезной и в физических исследованиях: гравитация способна искажать скорость течения времени, и данный прибор способен отметить эту разницу на расстоянии толщиной с один волос.