В НИЯУ МИФИ работают над новым стандартом времени

Атомные часы – самые точные в мире – сегодня успешно применяются в глобальных системах навигации, спутниковой связи и спутниковом телевидении, в службах синхронизации времени информационных сетей. Но физики пытаются создать еще более точные часы – на ядерных переходах. Однако вопросов в этой сфере пока больше, чем ответов. Проблемы создания сверхточных часов и нового стандарта времени и частоты обсудят ведущие российские и зарубежные ученые в ходе IV Международной школы «Перспективные стандарты времени и частоты на атомных и ядерных переходах», которая проходит 28 октября в НИЯУ МИФИ на базе Института лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз).

Атомные часы

Ученые из Европы, Австралии, Азии и России, а также их молодые коллеги из НИЯУ МИФИ, МГУ им. Ломоносова, ФИАН им. Лебедева РАН, ВНИИФТРИ, НГУ посвятят свои доклады обсуждению новой концепции сверхточных оптических часов на основе уникального явления ядерной физики – низкоэнергетического изомерного уровня в ядре тория-229. Именно этот уровень обладает аномально низкой для ядерных переходов энергией (длина волны около 150 нм), большим временем жизни (например, недавно измеренное в кристалле MgF2 – около 670 секунд) и находится в оптическом диапазоне, доступном для прецизионной (имеющей высочайшую точность) лазерной спектроскопии (раздела оптической спектроскопии, методы которого основаны на применении монохроматического излучения лазеров для стимулирования квантовых переходов между вполне определёнными уровнями).

Что за переход?

Энергия перехода – это разница энергий двух квантовых состояний, между которыми происходит атомный или ядерный переход. «Так, например, рождается свет, – объясняет один из участников конференции, д.ф-м.н., профессор НИЯУ МИФИ и главный научный сотрудник ФИАН Евгений Ткаля. – Атом переходит из возбужденного состояния в основное, иными словами, электрон перескакивает с возбужденного уровня на уровень с меньшей энергией. При этом он излучает фотон – свет, который мы видим. В ядре тория-229 то же самое. Только переход здесь коллективный – ядро из одного вращательного состояния переходит в другое, и участвуют в нём не электроны, а протоны и нейтроны ядра… Но главный вопрос сегодня – это точное значение энергии перехода».

Почему торий?

У ядра тория-229 есть одно необычное свойство: его основное состояние представляет собой дуплет уровней, разнесенных друг от друга всего лишь на несколько электронвольт (электронвольт – это внесистемная единица энергии, равная энергии, которую приобретает частица с единичным зарядом при прохождении разности потенциалов в 1 вольт). Первое возбужденное состояние в ядре тория-229 имеет атомную величину энергии, равную, согласно последним данным, 8.3 eV. Эту «неординарность» тория можно использовать для разработки нового ядерного стандарта времени и частоты, что позволит поднять точность измерения времени на порядок. В этом «кровно заинтересованы» сегодня, например, такие организации, как ГЛОНАСС, Единая система координатно-временного обеспечения России, «Российские космические системы». Изобретения сверхточных оптических часов ждут гравиметристы, геодезисты, геофизики, геологи, океанологи и др.

Кто первый?

Над созданием ядерного стандарта частоты работают сегодня ученые в США, Европе и Австралии. Но их теоретическая работа тормозится в части экспериментальных доказательств – в мире пока еще не создано методики возбуждения ядерного изомерного перехода в изотопе тория-229. Однако идея использовать торий-229 в возбужденном состоянии для создания стандарта времени и частоты – есть, и возникла она в России. И здесь же идут экспериментальные работы на двух ведущих научных площадках страны: в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН и в Институте ЛаПлаз НИЯУ МИФИ. На уникальном экспериментальном стенде кафедры «Физико-технические проблемы метрологии» ЛаПлаза уже много лет проводятся исследования по получению и захвату одиночных ионов тория в линейной ловушке Пауля. Работы по торию-229 поддерживает Российский научный фонд, а руководит ими Евгений Ткаля – теоретик и автор идеи использования ядер для создания часов.

Когда создадут ядерные часы?

Ловушка Пауля (их в России всего две, одна из них – в МИФИ), а также другое оборудование ядерного университета – электронная пушка, мощный импульсный лазер, вакуумные камеры, измерительные датчики и т.д. – на 90% отечественного производства. На ловушке Пауля спектроскописты измеряют свойства атомных состояний. «Сейчас у нас в разработке две концепции. Первая – твердотельная, согласно ей ионы тория имплантируют в матрицу прозрачного кристалла с большой шириной запрещенной зоны. Вторая – когда ионы удерживаются в ловушке электрическими полями, – рассказывает доцент НИЯУ МИФИ Петр Борисюк. – Но сегодня нам необходим еще и перестраиваемый ультрафиолетовый лазер, с помощью которого мы могли бы проводить прецизионные измерения, возбуждая низколежащий ядерный уровень. Ширина лазерной линии примерно 10 в минус восьмой степени электровольта. И вот таким необычайно низким лучом надо «пройти» диапазон порядка одного электровольта, облучая на каждом шаге ядра тория-229 в течение примерно 30 минут. Это процесс на годы».

Лабораторная ионная ловушка – вещь громоздкая, а чтобы сделать компактные часы, пригодные в авиации или космосе, нужен кристалл. Это первое направление работ: внедрить ион тория в диэлектрик с большой шириной запрещенной зоны, а затем работать с ним в кристалле. Это и будут ядерные часы. Второе направление – разработка лазера на ядерном переходе, или гамма-лазера оптического диапазона. Оба направления взаимосвязаны: если удастся воплотить первое, то получится и второе. А ядерные часы + лазер на ядерном переходе = новый уровень технологического развития человечества.

Что дальше?

Разрабатываемый прибор будет иметь невероятную точность разрешения по времени. Атомное ядро, защищенное снаружи от влияния внешней среды атомной оболочкой, сделает часы на ядерном переходе более помехоустойчивыми по сравнению с атомными часами.

На самом деле измерения времени постоянно уточняются, и научные группы из разных стран конкурируют за первенство в этом вопросе. Время жизни изомера зависит от той системы, в которую он помещен, поэтому исследуются самые разные системы, в том числе экзотические, такие как благородные газы, кристаллизованные при температурах в несколько кельвинов, а также наноструктуры.

Российские ученые первыми в мире смогли возбудить ядро тория-229 в лазерной плазме, им удалось возбудить очень большое количество ядер. Следующая задача – измерить их энергию. Как только удастся измерить энергию до тысячных долей электронвольта, ядерные часы можно будет создать за несколько месяцев. «Пленение» и использование тория – дело будущего, но уже сегодня в НИЯУ МИФИ обсуждают, как реализовать квантовую логику на ионах и как обнаружить темную материю с помощью ядерных часов.