Разработка ядерного стандарта времени и частоты на основе уникального изомерного ядерного перехода внутри ядра 229Th
В настоящее время общепризнанным международным эталоном частоты являются цезиевые атомные часы, т.е. стандарт, воспроизводящий единицу измерения частоты на основе электронного перехода между двумя уровнями сверхтонкой структуры в атоме цезия-133. Наивысшая достигнутая относительная точность атомных часов в «цезиевом фонтане», составляет Δν/ν = ΔТ/Т ~ 2×10-16. Впечатляющие достижения последних лет в области лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения поставили на повестку дня вопрос о возможности дальнейшего повышения точности, а также улучшения стабильности и воспроизводимости единиц времени и частоты. Повышение точности часов может быть достигнуто путем увеличения частоты используемых осцилляторов, т.е. переходом к квантовым оптическим стандартам, частота которых на пять порядков выше частоты микроволновых стандартов. Оптические часы могут быть реализованы с использованием переходов в долгоживущие электронные состояния в одиночных атомах или ионах, а также ионных кристаллов, захваченных в ловушку и охлажденных до температуры в десятки микрокельвин. Однако существует ряд фундаментальных физических ограничений, обусловленных, в частности, излучением абсолютно черного тела, что приводит к существованию предела воспроизводимости и стабильности частоты таких переходов ~10-18.
Методы повышения точности
Использование ядерных переходов (вместо атомных), экранированных от внешнего окружения электронной оболочкой и поэтому гораздо менее чувствительных к внешним возмущениям, позволило бы повысить точность измерений на несколько порядков. К сожалению, типичные энергии ядерных переходов находятся в диапазоне от кэВ до МэВ, в котором отсутствуют источники когерентного излучения. Уникальным исключением является изомерный уровень в изотопе тория-229, энергия которого, по последним данным* , составляет 8.28±0.17 эВ и находится в области вакуумного ультрафиолета и, в принципе, доступна имеющимся на сегодняшний день лазерным источникам. Однако, в силу целого ряда технических причин, прямого измерения энергии данного перехода до сих пор еще не проведено. В настоящее время над решением этой проблемы активно работают передовые исследовательские группы в США (NIST, Los Alamos National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Georgia Institute of Technology) и Германии (Physikalische Technische Bundesanstalt), а также ряд других организаций в Западной Европе и Австралии.
Перспективы
Разработка оптического ядерного стандарта частоты с точностью ~10^(-20) откроет необычайно широкие перспективы его использования во многих областях науки, технологии и экономики. Например, повышение точности навигационных спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС) непосредственно связано с точностью используемых стандартов частоты. Так, ошибка находящихся на спутнике «часов» всего на 1 нс приводит к ошибке позиционирования в 30 см.
Высокая точность стандарта частоты может позволить регистрировать зависимость частоты перехода от гравитационного поля, т.е. измерять гравитационное поле Земли с использованием стандарта частоты, находящегося на спутнике. Обладание такими техническими средствами позволит проводить дистанционное обнаружение залежей редкоземельных элементов, нефтяных и газоконденсатных месторождений, разрабатывать высокоточные геоидные навигационные карты, а также решать задачи специального назначения.
Ядерный стандарт частоты также позволит решать задачи фундаментальной физики, в частности, измерить с высокой точностью ряд фундаментальных констант (постоянная тонкой структуры, гравитационная постоянная) и тем самым проверить основы космологических эффектов общей теории относительности.
В силу сказанного задача разработки сверхточного стандарта времени и частоты не может считаться сугубо метрологической. Она должна решаться на национальном уровне для сохранения приоритетных позиций страны в области метрологии времени и частоты.
Таким образом, проведение экспериментальных и теоретических исследований для разработки экспериментального комплекса, позволяющего проводить прецизионные исследования оптических атомных и ядерных спектров единичных ионов и являющегося базой для разработки оптического стандарта частоты нового поколения на основе ядерного перехода в ионах тория-229 является как фундаментальной задачей в области лазерной спектроскопии, квантовой оптики и ядерной физики, так и имеет огромное прикладное значение, в том числе для завоевания приоритета России в стратегических направлениях развития.
Ядерный стандарт частоты в России
Можно сказать так: наша установка является набором установок, собранных воедино с любовью, заботой и глубоким пониманием физики. Навыки, которые были нами получены, охватывают огромный спектр, начиная от пайки, программирования и сверления, заканчивая, применением квантовой физики в эксперименте. Главным успехом нашей лаборатории на данный момент считается лазерное охлаждение ионов стронция – 88, и наблюдение отдельных ионов, охлажденных до долей Кельвина, что является для России передовым достижением.
Ждем молодых и амбициозных в гости или в нашу дружную команду
Коллектив лаборатории молодой, средний возраст 25 лет. Поэтому проблем с коммуникацией возникнуть не должно. Так же есть и опытные физические мастодонты, под руководством которых мы идем к своим научным свершениям. С данной темой кафедра принимает активное участие в конференциях и научных школах, как в российских, так и в международных.
