Главная » Статьи » Изолирующая сфера вокруг атома тория поможет создать ядерные часы

Изолирующая сфера вокруг атома тория поможет создать ядерные часы

Физик из МГУ рассмотрел, как на переходе между основным и возбужденным состоянием ядра атома 229Th сказывается наложение граничных электромагнитных условий — окружение атома изолятором, помещение его в тонкую диэлектрическую пленку или металлическую полость. Оказалось, что в некоторых случаях переход удается замедлить более чем в десять раз. Открытие может найти применение в разработке ядерных часов, точность которых превысит точность атомных часов (оценок повышения точности в статье не приводится). Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Когда ученым нужно очень точно измерить время, они обращаются к атомным часам. В основе конструкции этих часов лежат переходы электронов между соседними электронными оболочками атома — частота таких колебаний постоянна, а относительная погрешность при ее измерении составляет не более εν ~ 10−14. Другими словами, атомные часы накапливают ошибку в одну секунду за несколько миллионов лет. Атомные часы используются для точного определения местоположения (системы GPS и ГЛОНАСС), установлены на базовых станциях мобильной связи. Кроме того, современное определение секунды тоже полагается на атомные часы: в международной системе единиц СИ секунда — это промежуток времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, отвечающих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 (133Cs).

Тем не менее, для точного измерения промежутков времени не обязательно использовать только классические атомные часы. Теоретически, даже большей точности можно добиться, наблюдая за переходами между энергетическими уровнями атомного ядра, а не вращающихся вокруг него электронов. Для этого нужно научиться управлять вероятностью процесса. Подобного контроля можно добиться, накладывая на атом граничные электромагнитные условия — проще говоря, помещая его в «клетку» и ограничивая его возможности излучать. Впервые этот эффект был предсказан Эдвардом Парселлом еще в 1946 году, к настоящему времени его достаточно хорошо изучили теоретически и экспериментально. К сожалению, использовать его для создания ядерных сверхточных часов пока что никому не удалось. Препятствием здесь выступает тот факт, что эффект Парселла довольно сложно увидеть — расстояние между ядерными энергетическими уровнями много больше энергии оптических атомных возбуждений и высвобождающееся в результате перехода электромагнитное излучение практически не замечает границы между двумя средами. Более того, бо́льшая часть этой энергии идет не на излучение, а на внутреннюю конверсию, что еще сильнее осложняет наблюдения.

К счастью, из этих закономерностей есть исключения. В 1976 году Крогер (L. A. Kroger) и Райх (C. W. Reich) обнаружили ядро, возбужденное состояние которого имело сравнительно небольшую энергию. Этим состоянием оказался состояние атома тория-229 (229Th), имеющее спин 3/2 и положительную четность (spin 3/2+). Последние измерения величины перехода в таких ядрах дают значение энергии около E ~ 10 электронвольт. В данной статье физик Евгений Ткаля теоретически рассмотрел, какую роль играет наложение граничных электромагнитных условий на атомы 229Th, и показал, что в некоторых случаях они позволяют замедлить переход (то есть уменьшить его вероятность) более чем в десять раз.

В своей работе ученый рассматривает четыре различных типа граничных условий: окружение атома диэлектриком (изолятором), вложенного в вакуум или заполняющего полость в объеме металла, помещение атома в тонкую диэлектрическую пленку, прикрепленную к поверхности полупроводника, и, наконец, размещение атома в пустой металлической полости. Во всех случаях с диэлектриком физик предполагал, что энергетическая щель электронов проводимости была много больше энергии фотонов, которые излучаются при переходе между состояниями ядра, и внутренняя конверсия не происходила.

В результате исследователь выяснил, что в первых двух конфигурациях множитель Парселла — величина, которая описывает, как сильно вероятность перехода уменьшается по сравнению с пустым пространством, — существенно зависит от радиуса диэлектрической сферы. В некоторых случаях вероятность падала более чем в пятьдесят раз — на рисунке таким событиям отвечает значение R/λ ≈ 4,5, где R — радиус сферы, а λ — длина электромагнитной волны, отвечающая энергии перехода. С другой стороны, помещение атома в пустую металлическую полость, радиус которой R ~ λ, практически не сказывалось на скорости процесса. Качественно автор объясняет отсутствие эффекта тем, что виртуальные фотоны, интерференция которых могла бы привести к изменению вероятности внутренней конверсии, затухают на гораздо меньших расстояниях. Наконец, в тонкой диэлектрической пленке вероятность тоже уменьшалась, причем ее зависимость от времени не подчинялась экспоненциальному закону.

Таким образом, автор статьи заключает, что вероятность переходов между возбужденным и основным состоянием ядра тория-229 действительно можно контролировать, накладывая на него различные граничные условия. Этот эффект можно будет использовать в будущем для более аккуратного изучения свойств состояний, а также для создания точных ядерных часов.

В начале этого месяца американские физики увеличили точность атомных часов почти в полтора раза — разработанные ими часы «уходят в сторону» не более чем на одну секунду за несколько сотен миллиардов лет. Чтобы добиться такой точности, ученые одновременно измеряли состояние не одного, а нескольких тысяч атомов стронция, упорядоченных с помощью лазера в трехмерную решетку. Впрочем, всегда стоит помнить, что существование абсолютно точных часов запрещено фундаментальными физическими законами: чем точнее они измеряют время, тем больше свободной энергии переходит в тепло, то есть тем быстрее увеличивается энтропия системы.

Проверить, насколько точно вы сможете оценить длительность различных процессов в секундах, можно в нашем тесте.

Дмитрий Трунин