Письмо ректору


Новости университета



08.06.2016

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

В 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.

Российский 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 7.8±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.

Принцип 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 «электронной шубой», 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.

Лазерное 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).

Две 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 «неудобной», 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.

Задача 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 229Th 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.

Другой 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 «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 поколения».

В нашем университете уже создана ионная ловушка для ядерных часов. Следующий шаг – 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.


На фото: Nuclear Clock - Ion Trap (Photo: GIT)

На 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:

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

- лазерная система прямого охлаждения ионов тория.

Данная 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 – 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.


Количество показов: 972

Возврат к списку


Добавить комментарий