Атомные часы используют переходы между атомными уровнями. Фактически атом переходит из основного состояния в возбуждённое. Разница энергий между этими состояниями определяет значение резонансной частоты «часового» перехода. При этом если настроить источник лазерного излучения на данную частоту и стабилизировать по данному переходу, то у нас появляется источник лазерного излучения с длиной волны «часового» атомного перехода, что представляет собой не что иное, как эталон с известной длиной и частотой волны. Чем лучше изучены свойства атомного перехода, тем точнее можно стабилизировать лазерное излучение и правильнее определить частоту «часового» перехода.
Сейчас атомные часы уже достигли своего предела, который находится в диапазоне 10-19 относительных единиц, то есть одну секунду можно измерить с точностью до 18—19 знака после запятой. Считается, что ядерные часы позволят ещё лучше стабилизировать длину волны, так как ядра атомов менее подвержены внешнему воздействию электромагнитных полей, а значит, часы на них будут более точными.
Как и в случае с атомными часами, в ядерных происходит переход между основным и возбуждённым состоянием, но переходит не весь атом, а только его ядро: из основного в возбуждённое аномально низколежащее изомерное состояние. Таким уникальным низколежащим ядерным состоянием обладает только изотоп тория-229. Этот изотоп имеет искусственное происхождение, его получают при альфа-распаде урана-233, который в своё время был наработан в рамках советского атомного проекта. Российский экспериментальный ториевый проект стартовал в 2012 году под руководством профессора НИЯУ МИФИ Виктора Ивановича Трояна, а сама идея использования ядерного перехода для квантовой метрологии принадлежит российскому физику-теоретику Евгению Викторовичу Ткале.
Уникальное свойство тория-229 заключается в аномально низколежащем изомерном ядерном состоянии. У ядер других атомов состояния по энергии могут лежать выше основного на десятки кило- и мегаэлектронвольт, а изотоп тория обладает состоянием, энергия которого, по последним данным, равна всего 8,4 электрон-вольта. Иначе говоря, энергия этого ядерного перехода доступна для спектроскопии существующими лазерными источниками в области вакуумного ультрафиолета, а это нужно, чтобы осуществить стабилизацию лазерного источника по ядерному переходу. Исследования, опубликованные за несколько последних лет, показали, что прямая спектроскопия ядерного состояния позволяет сделать на её основе ядерные часы. Это было продемонстрировано в недавних экспериментах.
Благодаря таким точным часам у человечества появляется новый квантовый сенсор, который даст возможность измерять, например, изменения параметров вращения Земли, внешних электромагнитных полей, гравитационного поля. Ядерные часы в перспективе позволяют проверить гипотезу о дрейфе фундаментальных констант. Их можно использовать для поиска тёмной материи и для изучения космологических эффектов общей теории относительности.
С точки зрения прикладных вещей пока сложно сказать, что именно дадут такие часы, но их возможности безграничны. Это и сверхточное геопозиционирование, и удалённая геологоразведка, и навигация, и система передачи данных, и система синхронизации, и многое, многое другое...
