В НИЯУ МИФИ создают новый стандарт 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.

Ход времени на Земле и в космосе отличается из-за воздействия гравитации, ускоряясь при удалении от планеты или звезды. Задачу синхронизации земного и космического времени выполняют стандарты частоты, которые еще называют «атомными часами». Первые такие приборы появились в середине XX века одновременно с космонавтикой. По теории относительности Вселенная расширяется с ускорением, которое ей придает гипотетическая «тёмная энергия». Точного определения этому таинственному явлению пока нет. Астрофизики предполагают, что у черной дыры в центре нашей галактики время почти останавливается.

Проблемы создания сверхточных часов и нового стандарта времени и частоты обсудили ведущие российские и зарубежные ученые в ходе IV Международной школы «Перспективные стандарты времени и частоты на атомных и ядерных переходах», которая прошла на базе Института лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз).

Ученые из Европы, Австралии, Азии и России, а также их молодые коллеги из НИЯУ МИФИ, МГУ им. Ломоносова, ФИАН им. Лебедева РАН, ВНИИФТРИ, НГУ посвятили 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). 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».

У ядра тория-229 есть одно необычное свойство: его основное состояние представляет собой дуплет уровней, разнесенных друг от друга всего лишь на несколько энерговольт (энерговольт – 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. 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.

/

24 ноября 2022