В МИФИ ведутся работы по созданию ядерных часов с системой лазерного охлаждения ионов тория

08
июня
2016

pВ настоящее время особенный прогресс наметился в области развития атомных и ионных стандартов частоты, обусловленный широким вкладом методов высокоточных измерений времени и частоты в развитие фундаментальной науки, технологии и экономики. В распространенных сейчас атомных часах фиксируется переход электронов, вращающихся вокруг атома, с одного энергетического уровня на другой, то есть частота изменения их орбиты./p

pРоссийский физик, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией НИИЯФ МГУ и профессор кафедры физико-технических проблем метрологии (№78) НИЯУ МИФИ Евгений Викторович Ткаля предложил использовать ядерные переходы, экранированные электронной оболочкой, вместо атомных. Они гораздо менее чувствительных к внешним возмущениям, и это позволило бы повысить точность измерений на несколько порядков. Уникальный низколежащий изомерный уровень в изотопе тория-229, энергия которого, по последним данным, составляет 7.8plusmn;0.5 эВ, находится в области вакуумного ультрафиолета и, в принципе, доступна имеющимся на сегодняшний день лазерным источникам. Точное измерение энергии изомерного перехода позволит перейти к разработке оптического ядерного стандарта частоты с точностью до уровня 10^(-20), что, в свою очередь, откроет необычайно широкие перспективы его использования во многих областях науки, технологии и экономики. Однако прямого измерения энергии данного перехода до сих пор еще не проведено./p

pПринцип действия ядерных часов основан на отсчете периодов времени с помощью регулярно происходящих изменений с ионами ядра радиоактивного изотопа тория-229. Преимущество этих часов в том, что ядро, находясь внутри атома, защищено laquo;электронной шубойraquo;, то есть вращающимися вокруг ядра электронами, и, соответственно, менее подвержено влиянию внешних факторов. Это сделает ядерные часы более надежными. Помимо российской группы ученых, близко к созданию ядерных часов подошли ученые из Германии и США. Однако у российской группы есть значительный задел по пониманию проблем, подходов к их решению, и основ той физики, которая здесь заложена. Помимо часов на ядерном переходе в тории-229 можно создать гамма-лазер оптического диапазона. Эти две разработки (новый метрологический стандарт времени в виде ядерных часов и лазер на ядерном переходе оптической энергии) в своем твердотельном варианте очень близки друг к другу. Их успешная реализация окажет заметное влияние на уровень всего технологического развития человечества./p

pЛазерное охлаждение атомов и ионов, локализованных в ловушках различного типа, является одним из самых распространенных методов получения и исследования квантовых свойств отдельных ультрахолодных (1мкК) атомов и ионов. С помощью этих физических систем достигнут значительный прогресс не только в традиционной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения, но и в таких новых направлениях как спектроскопия и квантовая логика, а также оптические стандарты времени и частоты. Эксперименты с использованием атомных часов уже обеспечили наиболее точную проверку общей теории относительности, а также установили наиболее жесткие на сегодняшний день ограничения на диапазон возможной временной девиации ряда фундаментальных констант. Однако существует ряд фундаментальных физических ограничений, обусловленных, в частности, излучением абсолютно черного тела, что приводит к существованию предела воспроизводимости и стабильности частоты перехода на уровне 10^(-18)./p

pДве передовые исследовательские группы приступили к решению экспериментальной задачи по лазерному охлаждению и оптической спектроскопии ионов тория: Georgia Institute of Technology (США) и PTB (Германия). В США созданы лазерные системы для спектроскопии электронных переходов тория и ионная ловушка для получения ионных кристаллов Th3+; получены и детектированы первые кулоновские кристаллы, содержащие до 10^4 ионов тория Th3+. В Германии созданы лазерные системы для спектроскопии электронных переходов тория и ионная ловушка для получения ионных кристаллов Th+; получены и детектированы первые кристаллы, содержащие до 10^3 ионов тория Th+. При этом следует отметить, что, несмотря на значительный успех в области прямого охлаждения ионов тория в линейной ловушке Пауля, время удержания системы ионов при температурах порядка 1 мкК ограничено и не превышает 30 минут. Это обусловлено тем, что ион тория, однозарядный или даже трехзарядный, обладает laquo;неудобнойraquo;, с точки зрения необходимых лазерных источников, электронной структурой, а охлаждающий переход имеет малую ширину. Задача настройки лазера на соответствующий переход усложняется. Тем не менее, лазерное охлаждение ансамбля ионов тория в ловушке является необходимым первоначальным этапом для проведения спектроскопии ядерного изомерного перехода. /p

pЗадача возбуждения самого изомерного перехода является еще более сложной с точки зрения экспериментальной реализации, так как прямое возбуждение перехода очень затруднено ввиду большой неопределенности как диапазона энергий искомого перехода, так и времени жизни возбужденного состояния. Для измерения энергии изомерного уровня предлагаются различные механизмы возбуждения ядерного перехода. Первый связан с внедрением ионов sup229/supTh в широкополосный кристалл с последующим сканированием ядерного перехода на синхротронном источнике в области вакуумного ультрафиолета. Однако помимо того, что в России на текущий момент источника синхротронного излучения необходимой мощности и энергии не существует, задача синтеза этих кристаллов с необходимой степенью чистоты является также ресурсозатратной. /p

pДругой подход представляется более реалистичным в российских условиях и основан на реализации механизма обратного электронного мостика (возбуждение ядерных состояний посредством резонансного возбуждения электронной системы), предложенного Е.В. Ткаля. Под его руководством в НИЯУ МИФИ реализовывается проект laquo;Спектроскопия квантовых состояний ансамбля ионов тория в линейной ловушке Пауля как метод исследования аномально низколежащего изомерного состояния в ядре Th-229 и создания ядерного метрологического стандарта частоты нового поколенияraquo;./p

pВ нашем университете уже a href=https://mephi.ru/content/news/1387/100330/?sphrase_id=8756864 создана/a ионная ловушка для ядерных часов. Следующий шаг ndash; разработка лазера для охлаждения ансамбля ультрахолодных ионов тория в линейной ловушке Пауля. Именно этим и занимаются ученые кафедр №37 и №78 НИЯУ МИФИ совместно с сотрудниками ФГУП ВНИИФТРИ и ФИАН. Также научной группе предстоит решить конкретные задачи: загрузка в линейную ловушку Пауля ионов тория-232 и -229, экспериментальная реализация системы лазерного охлаждения ионов тория-232 и -229, проведение спектроскопии квантовых состояний ионов тория-232 и -229, а также исследование возможности реализации механизма электронного мостика для возбуждения низколежащего изомерного состояния в ядре Th-229./p

p /p

p align=centerimg src=/content/imported/upload/medialibrary/822/12.jpg border=0 width=700 height=467 /i
br /
/i/p

p align=centeriНа фото: Nuclear Clock - Ion Trap (Photo: GIT)/i/p

p /p

pНа данный момент в России эксперименты по реализации лазерного охлаждения ионов тория в ловушках отсутствуют, но они являются принципиальным этапом для создания ядерного стандарта частоты. В результате выполнения проекта будет создана система лазерного охлаждения ионов тория-229, позволяющая проводить исследования оптических спектров испускания и поглощения в атомных, молекулярных и ядерных переходах. В состав системы войдут: /p

p- квадрупольная радиочастотная ионная ловушка линейной конфигурации, помещенная в сверхвысоковакуумную камеру, с возможностью одновременной загрузки различных ионов тория-229 и -232;/p

p- лазерная система прямого охлаждения ионов тория. /p

pДанная система позволит провести исследования аномально низколежащего ядерного изомерного перехода в 229Th и создать первые в мире ядерные часы. С помощью таких часов можно будет усовершенствовать навигационные системы (GPS, ГЛОНАСС). Часы важны и для фундаментальной науки. Например, они позволят проверить общую теорию относительности. Также ядерные часы ndash; возможность развития целого направления в области гравитометрии. На их основе можно создать гравиметр для поиска залежей различных ископаемых: редкоземельных металлов, нефти, газа, обнаружения подводных лодок и других объектов. /p

49