Текст уведомления здесь

«Пленение» тория позволит создать самые точные атомные часы в мире

Физики из МГУ планируют поднять их точность в сотню раз.
Добавить в закладки
Комментарии

Евгений Ткаля из Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ им. М.В. Ломоносова в теоретической работе показал, что темпом перехода ядра тория-229 из основного состояния в возбужденное можно управлять. Это позволит создать часы в десятки раз более точные, чем самые лучшие современные атомные хронометры. Эксперименты, проведенные в НИЯУ «МИФИ», уже подтвердили правоту его предположений. Соответствующая статья опубликована в Physical Review Letters.

Сегодня самые точные часы называют атомными. В них используется пара ионов металлов, «подвешенных» в электромагнитной ловушке на расстоянии нескольких микрометров друг от друга. Их обстрел лазером позволяет (по изменению рассеивания импульса на ионе) понять, в каком именно состоянии находится «тикающий» атом. В одном из состояний, которое энергетически чуть «выше» другого, дополнительная энергия атома переходит к электрону, а во втором состоянии — нет. Колебания системы между двумя такими состояниями — это «тикание» атомных часов. Первый из двух атомов (чаще всего цезия) в электромагнитный ловушке является «хранителем» времени, а второй атом необходим для снятия данных о состоянии первого.

Несколько лет назад на Западе возникла идея использовать в часах вместо получения энергии электроном получение энергии фотоном. Дело в том, что при переходе с одного энергетического уровня на другой ядро атома испускает фотон. Такой энергетический переход может быть намного быстрее, чем для электрона, а значит, система будет иметь более высокую точность. Однако существовала одна проблема: для большинства атомов этот переход происходит слишком быстро (их «тиканья» будет трудно подсчитать), а энергия фотона слишком велика для безопасного функционирования подобных «часов».

Среди наиболее подходящих кандидатов на материал для таких часов — ядро тория-229. У него уникальный и достаточно низкоэнергетический переход, при котором излучается фотон ультрафиолетового диапазона. Но и здесь не обошлось без сложностей. Дело в существовании так называемой внутренней конверсии: высвобождающаяся при переходе энергия не «вылетает» из ядра в виде фотонов, а передается одному из электронов, ломая весь процесс измерения времени. В обычном одиночном атоме тория-229 вероятность получения энергии электроном в миллиард раз выше, чем ее передача фотону.

Идея российского физика заключается в том, чтобы поместить атом тория в кристалл с большой шириной запрещенной зоны. В таком случае электронная оболочка атома тория под влиянием окружающего кристалла должна полностью перестроиться, из-за чего внутренняя конверсия (передача энергии электрону) оказывается запрещена — энергия, которую приобрел бы электрон, совпадает с запрещенной зоной значения энергий электрона, характерной для окружающего материала. Как показали расчеты исследователя, таким «берущим в плен» торий материалом может быть особо тонкая пленка диэлектрика или металла.

В итоге, как оказалось, даже спонтанной эмиссией фотонов можно управлять, если поместить атом тория внутрь таких тел. «Пленившая» атом оболочка в зависимости от свойств и толщины может изменить темп перехода в 50 раз. Это позволяет сделать заметной спектральную линию излучаемого атомом фотона ультрафиолетового диапазона, а значит, дает возможность отсчитывать время на порядок точнее, чем в стандартной схеме ядерных часов на тории. Согласно оценке автора работы, речь может идти о точности вплоть до 10—20, что в сто раз точнее, чем в лучших схемах атомных часов, предлагавшихся ранее.

Также ученый поделился последними результатами проведенных группой экспериментаторов в НИЯУ «МИФИ» опытов, в которых удалось пронаблюдать возможность контроля вероятности излучения. Таким образом, полученные в данной работе теоретические результаты уже получили подтверждение в эксперименте.

Повышение точности атомных часов неразрывно связано с ростом точности систем спутникового геопозиционирования — ГЛОНАСС, GPS и им подобных. Это важно как для военных, так и для гражданских целей. Например, быстро развивающимся беспилотным автомобилям повышение точности спутниковой навигации позволило бы значительно проще передвигаться без вмешательства водителя.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы