Лазерный мир

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).

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).

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.

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.

Источник: https://mephi.ru/press/news/19504