Наука и технологии 22 Октября 2020

Засечь ядерное время

Сверхточные атомные часы способны не только решить проблемы навигации по естественным полям Земли, но и зафиксировать перемещение фронта темной материи. Однако на смену им придут еще более точные часы — ядерные
Засечь ядерное время
Оптический стандарт частоты (часть Государственного первичного эталона единицы времени и частоты ГЭТ 1-2018)
ВНИИФТРИ

Немецкие ученые приблизились к созданию ядерных часов, которые должны стать самыми точными в мире. Об этом сообщает издание ScienceAlert. Как утверждает физик Томас Сикорский из Гейдельбергского университета, он разработал метод, который поможет решить проблему, мешающую воплотить в жизнь главный принцип ядерного хронометра.

Сейчас самые точные часы — атомные. Они основаны на принципе электромагнитных колебаний, излучаемых атомами или молекулами при переходе из одного энергетического состояния в другое. Эталон атомного времени не имеет ни суточных, ни вековых колебаний, не стареет и обладает достаточной определенностью, точностью и воспроизводимостью. В России атомные оптические часы разрабатывает Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Росстандарта.

magnifier.png Оптические часы работают на холодных атомах стронция, погрешность их хода составляет одну секунду в несколько миллиардов лет. Ключевой элемент этих часов — оптический стандарт частоты

Оптические часы работают на холодных атомах стронция, погрешность их хода составляет одну секунду в несколько миллиардов лет. Ключевой элемент этих часов — оптический стандарт частоты (ОСЧ). Это стандарт с использованием оптического перехода нейтральных атомов. В основе ОСЧ со стабилизацией по холодным нейтральным атомам лежит перестраиваемый лазер, настроенный на резонанс с запрещенным переходом в атомном ансамбле. Излучение лазера резонансно возбуждает ансамбль атомов при низкой температуре, которая обеспечивается лазерным охлаждением атомов. Используется большое количество очень холодных атомов (104–106 атомов, охлажденных до температуры менее 10 мкК), которые сформированы в пространстве в стоячей оптической волне, поэтому между собой они не взаимодействуют (или взаимодействуют крайне слабо). Оптический переход, к которому привязывается внешний (в данном случае лазерный) источник, стабильно воспроизводит частоту во времени. По сравнению с другими стандартами оптический стандарт на холодных атомах стронция имеет наивысшую точность.

Оптические часы представляют собой комбинацию ОСЧ и оптического синтезатора. Поскольку оптический стандарт имеет очень высокую частоту, для того чтобы создать оптические часы, необходим передаточный элемент. Таким элементом и является оптический синтезатор на основе фемтосекундного лазера (прибора, способного генерировать импульсы лазерного излучения, которые содержат достаточно малое число колебаний оптического поля).


ПАЛЬЧИКОВ.jpg
Заместитель начальника Главного метрологического центра Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли по научной работе Виталий Пальчиков
ВНИИФТРИ

 

Как перейти от атомных часов к ядерным

О том, в чем разница между атомными и ядерными часами, «Стимулу» рассказал Виталий Пальчиков, заместитель начальника Главного метрологического центра Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли по научной работе. По его словам, в отличие от атомных стандартов времени и частоты как радиочастотного, так и оптического диапазона, в ядерных стандартах частоты «часовой» переход определяется не электронными состояниями атомов или ионов, а переходами между низколежащими изомерными состояниями ядер тория-229. В этом случае «часовой» переход практически не подвержен внешним возмущающим воздействиям в виде электромагнитных полей или излучения черного тела, поскольку имеет место очень сильная экранировка «часового» перехода электронами внутренних и валентных оболочек. Именно поэтому ядерный стандарт имеет очень высокую точность воспроизведения единиц времени и частоты.

magnifier.png Существование изомерного перехода в оптическом диапазоне для тория-229 предсказал академик Александр Дыхне более 30 лет назад, однако вплоть до сегодняшнего дня переход экспериментально обнаружить не удалось

В настоящее время точность оптических стандартов времени и частоты в наиболее продвинутых лабораториях мира достигла уровня 18‒19-го знака. Ожидаемая точность ядерных часов будет выше как минимум на порядок. Уникальная точность ядерных часов позволит, с одной стороны, обеспечить возможность повышения точности формирования высотной координатной основы до уровня единиц миллиметров, а с другой — осуществить принципиально важные фундаментальные научные исследования на новом уровне точности, например провести оценки вариации фундаментальных физических констант во времени или проверку достоверности стандартной модели трех фундаментальных взаимодействий — сильного, электромагнитного и слабого — вместе с теорией гравитационного взаимодействия, которая пока не объединена с другими фундаментальными взаимодействиями.

Существование изомерного перехода в оптическом диапазоне для тория-229 предсказал академик Александр Дыхне более тридцати лет назад, однако вплоть до сегодняшнего дня переход экспериментально обнаружить не удалось. «Проблема в том, что этот переход может быть в настоящее время предсказан лишь косвенным образом, например как продукт распада изотопа урана-333 на различные изомеры или молекулярные конфигурации, включая желаемый метастабильный изомер тория-229, — поясняет Виталий Пальчиков. — Соответствующие косвенные оценки для длины волны изомерного перехода (приблизительно 153 нанометра) обладают высокой погрешностью их определения (порядка десяти процентов). Учитывая, что этот переход имеет очень узкую спектральную линию, а диапазон косвенных предсказаний весьма широк, необходимо провести поистине астрономическое число измерений спектров тория-229 или его ионов низкой кратности ионизации, чтобы доподлинно возбудить и зарегистрировать искомый “часовой” переход. Тем не менее нет сомнений в существовании данного перехода, поскольку результаты косвенных измерений нескольких экспериментальных групп из передовых лабораторий мира приводят к схожим результатам».

 

Попытка немецких физиков

Томас Сикорский предложил оригинальный и более точный подход к измерению гамма-излучения, регистрируемого при распаде изотопа урана-333 на различные изомеры, в том числе изомер тория-229. Суть метода заключается в преобразовании гамма-излучения непосредственно в тепло при попадании на поглощающую пластину с торием, охлаждаемую криогенной установкой, и последующего пересчета тепловых единиц измерений непосредственно в энергию перехода. С помощью этого нового метода установлено значение энергии перехода, равное 8,1 эВ, что соответствует длине волны возбуждения 153,1 нм.

magnifier.png Более точные оптические часы позволят повысить точность навигации, будут востребованы для уточнения фундаментальных физических теорий и фундаментальных физических констант, заложат основы развития телекоммуникационной связи следующего поколения — 6G

«Следует отметить, что этот результат трудно назвать прорывом в создании ядерных часов, — считает Виталий Пальчиков, — поскольку по точности он не превосходит существенно данные измерений, полученные в рамках альтернативных подходов. Кроме того, этот метод, как написал в сентябрьском номере arXiv Ларс фон дер Вензе из Мюнхенского университета, не отличается хорошей воспроизводимостью: только за 2020 год команда Томаса Сикорского представила четыре результата измерений, отличающихся как в значениях полученных данных (от 153,1 до 159,0 нанометра), так и в погрешностях их определений».

Но немецкие ученые не унывают. Они говорят, что получают значения энергии перехода непосредственно из экспериментальных данных, не прибегая к вычислениям. Поэтому погрешность только статистическая, и благодаря большому количеству измерений ее можно будет сильно уменьшить.


СОСТАВЛ СТАНДАРТА.jpg
Одна из составляющих оптического стандарта частоты
ВНИИФТРИ

 

Российские сверхточные

Во ВНИИФТРИ работать над созданием ядерных часов начали десять лет назад совместно с МИФИ. Как рассказал Виталий Пальчиков, в частности, была разработана и сконструирована система регистрации излучения для ядерного стандарта на длине волны 160 нм с применением оптоволоконной техники.

Создание прибора такого уровня зависит не только от результатов теоретических исследований, но и от уровня и возможностей современного приборостроения. Успех становится возможным только при условии одновременного проведения фундаментальных и прикладных исследований.

Впереди еще предстоит много работы, перед тем как стандарт такой уникальной точности будет разработан. До этого необходимо достичь точности до 17‒18-го знака и внедрить ее в промышленность, науку и повседневную жизнь людей.

Чтобы удовлетворить нынешние потребности общества в точности, во ВНИИФТРИ продолжается разработка атомных оптических часов второго поколения. По словам Виталия Пальчикова, она находится на завершающем этапе. Как рассказали в институте, более точные оптические часы позволят повысить точность навигации, будут востребованы для уточнения фундаментальных физических теорий и фундаментальных физических констант, заложат основы развития телекоммуникационной связи следующего поколения — 6G. Их применение также будет способствовать развитию прецизионной (высокоточной) геодезии миллиметрового уровня.

magnifier.png Если ОСЧ будут разнесены в космосе на различных носителях, то сдвиг между их показаниями может стать свидетельством перемещения фронта темной материи в пространстве

Ученые ВНИИФТРИ занимаются также созданием перевозимых и мобильных оптических стандартов времени и частоты на атомах иттербия с планируемой точностью воспроизведения этих единиц на уровне 16‒17-го знака. Уже созданы физические части этих устройств, освоена техника лазерного охлаждения атомов, проводятся предварительные оценки бюджета неопределенностей для перевозимых и мобильных оптических стандартов.

Одной из наиболее интригующих возможностей применения мобильного оптического стандарта частоты может стать детектирование темной материи. Если ОСЧ будут разнесены в космосе на различных носителях, то сдвиг между их показаниями может стать свидетельством перемещения фронта темной материи в пространстве.

По словам генерального директора ВНИИФТРИ Росстандарта Сергея Донченко, создание мобильного оптического стандарта частоты — амбициозная задача для всего мирового научного сообщества. Такой стандарт даст мощный толчок к развитию комплексных навигационных систем, использующих не только сигналы космических аппаратов, но и данные о естественных полях Земли. Спутниковая система навигации не всегда точна, так как прохождение сигнала от спутника до приемника на Земле может искажаться в зависимости от состояния атмосферы и множества других факторов. Благодаря размещению ОСЧ в космосе появится возможность существенно повысить метрологические и функциональные характеристики существующих навигационных систем.
Еще по теме:
15.04.2021
14 апреля 1629 года родился математик, физик и инженер-конструктор Христиан Гюйгенс, подаривший человечеству мощный теле...
13.04.2021
Объединенный институт ядерных исследований получил патент на уникальную разработку — прибор для измерения угла наклона о...
12.04.2021
В 1928 году был написан первый учебник практической космонавтики Германа Поточника. Отдельные его главы до сих пор не по...
12.04.2021
12 января 1907 года родился выдающийся советский конструктор и руководитель Совета главных конструкторов ракетно-космиче...
Наверх