Управление атомным ядром позволит физикам из МГУ сделать часы в десятки раз точнее атомных

Евгений Ткаля, заведующий Лабораторией электрон-ядерных и молекулярных процессов Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ, теоретически показал, как можно управлять частотой, с которой ядро тория-229 переходит из возбуждённого состояния в основное. Оказалось, что частоту переходов можно как ускорять, так и замедлять в десятки раз. Это позволит создавать хронометры в десятки раз более точные, чем самые лучшие современные атомные часы. Исследование сотрудника МГУ опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Спрос на сверхточные часы весьма высок. Нужны они не только физикам-экспериментаторам, но и инженерам, создающим навигационные системы вроде GPS и ГЛОНАСС, а значит, и обычным людям, которые пользуются такими системами.

На сегодня самыми точными часами являются атомные. Время в них отсчитывается с помощью переходов электронов между энергетическими уровнями. Соответственно, чем короче период между двумя переходами, тем более краткую долю секунды можно отмерить.

Физики, которым всегда хочется получить ещё более точное оборудование, относительно недавно задумались о применении в часах переходов между энергетическими уровнями ядра. Ведь период между такими переходами гораздо короче, а значит, и время можно измерять гораздо точнее.

Проблема в том, что в абсолютном большинстве случаев этот период уж слишком мал. Остальные элементы оборудования не обладают таким быстродействием. Кроме того, в результате перехода излучается ионизирующий гамма-квант, что также не способствует разработке технологии.

Таким образом, физикам нужно было выбрать ядро, в котором переходы между уровнями совершаются гораздо реже, чем в большинстве других ядер (но всё равно гораздо чаще, чем в электронной оболочке атома).

Такой кандидат у учёных есть: ядро тория-229. У него уникально низкая для ядра частота переходов, а значит, и низкая энергия излучаемого кванта. Испускается не гамма- и даже не рентгеновский фотон, а всего лишь квант ультрафиолетового излучения.

Однако загвоздка есть и здесь. Проблема в том, что энергия, выделяемая при переходе, может не выйти в виде фотона, а перейти к одному из ближайших к ядру электронов. Это явление называется внутренней конверсией. В изолированном атоме тория-229 вероятность того, что энергия "достанется" электрону, нежели будет "высвечена" в виде фотона, в миллиард раз выше.

Однако, как выяснил Ткаля, ситуацию можно изменить. Для этого нужно поместить атом в кристалл с широкой запрещённой зоной.

"Моя идея состоит в том, что в кристалле электронная оболочка может полностью перестроиться, из-за чего можно наблюдать ядерное излучение без конверсии, которая оказывается запрещена", – пояснил Ткаля в пресс-релизе университета.

Таким образом, использовав подходящий кристалл, нежелательный эффект можно устранить и пользоваться атомом тория как часами. Более того, учёный придумал способ ещё сильнее повысить точность таких часов.

Автор пришёл к выводу, что частотой переходов можно управлять, если окружить такой кристалл тонкой диэлектрической или металлической плёнкой. Такое изменение частоты переходов хорошо известно для переходов между энергетическими уровнями электронов и называется эффектом Парселла. Теперь выясняется, что его аналог существует и для ядер.

Расчёты показали, что окружающая кристалл оболочка в зависимости от свойств и размера позволит изменить темп переходов в десятки раз, вплоть до 50. Этот эффект уже удалось наблюдать экспериментаторам из МИФИ. А рост частоты переходов означает рост точности.

Правда, на пути создания таких часов есть ещё одно препятствие: энергия "ядерного" перехода известна недостаточно точно. Сейчас она просчитана с погрешностью в десятые доли электрон-вольта, а необходима точность порядка одной десятитысячной электрон-вольта.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о рекордно точных часах и атомных часах размером со спичечный коробок.