В НИЯУ МИФИ работают над созданием сверхточных ториевых часов. Какие есть успехи и зачем это нужно, рассказывает Пётр БОРИСЮК, доктор физико-математических наук,
участник российской научной группы, руководитель Проектного офиса Квантового университета, заведующий кафедрой квантовой метрологии Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ.
– Создание атомных часов на основе изотопа тория‑229 – это обще‑ мировая тенденция. Какое здесь ме‑ сто нашей страны?
– Наша страна не хочет в этом уступать. Российский экспериментальный ториевый проект стартовал ещё в 2012 году под руководством профессора НИЯУ МИФИ Виктора Ивановича Трояна, а сама идея использования ядерного перехода для квантовой метрологии принадлежит российскому физику-теоретику Евгению Викторовичу Ткале.
– Как работает эта технология?
– Атомные часы используют переходы между атомными уровнями. Фактически речь идёт о том, что атом переходит из основного состояния в возбуждённое. Разница энергий между этими состояниями определяет значение резонансной частоты «часового» перехода. При этом, если настроить источник лазерного излучения на данную частоту и стабилизировать по данному переходу, у нас появляется источник лазерного излучения с длиной волны «часового» атомного перехода, что представляет собой не что иное, как эталон с известной длиной и частотой волны. Чем лучше учёные знают атомный переход, тем точнее смогут стабилизировать лазерное излучение и лучше смогут определить частоту «часового» перехода.
– Есть ли предел такой точности?
– Да. Сейчас атомные часы уже достигли своего предела, который находится в диапазоне 10–19 относительных единиц, когда можно измерить секунду до 18–19‑го знака после запятой. Считается, что ядерные часы позволят ещё лучше стабилизировать длину волны, так как менее подвержены внешнему воздействию электромагнитных полей, а значит, они будут более точными.
– В чём разница между атомными и ядерными часами?
– Это такой же переход между основным и возбуждённым состоянием, как и в случае с атомными часами, но в данном случае именно ядро переходит из основного в возбуждённое аномально-низколежащее изомерное состояние. Таким уникальным низколежащим ядерным состоянием обладает только изотоп тория‑229. Этот изотоп имеет искусственное происхождение, его получают при альфа-распаде урана‑233, который в своё время был наработан в рамках советского атомного проекта.
– Почему именно торий используют для создания ядерных часов?
– Уникальное отличие тория‑229 от других радионуклидов и их ядер – аномально низколежащее изомерное ядерное состояние. Все другие ядерные состояния по энергии могут достигать десятков кило- и мегаэлектрон-вольт, а изотоп тория обладает состоянием, энергия которого, по последним данным, равна 8,4 электрон-вольта. Иначе говоря, энергия этого ядерного перехода доступна для спектроскопии существующими лазерными источниками, а это нужно, чтобы осуществить стабилизацию лазерного источника по ядерному переходу. Публикации последних двух лет и показали, что прямая спектроскопия ядерного состояния позволяет сделать ядерные часы. Это было продемонстрировано в последних экспериментах.
– Для чего нужны столь точные часы?
– Благодаря им у человечества появляется новый квантовый сенсор, который позволяет измерять, например, изменения параметров вращения Земли, внешних электромагнитных полей, гравитационного поля. Такие часы в перспективе позволяют проверить гипотезу о дрейфе фундаментальных констант, а также их можно использовать для поиска тёмной материи и для изучения космологических эффектов общей теории относительности. Это совершенно новый инструментарий, который выведет человечество на новый уровень познания мира, в котором мы живём.
– То есть это нужно только для фундаментальных исследований?
– С точки зрения прикладных вещей сложно сказать, что именно дадут такие часы, но эти возможности безграничны. Это и позиционирование, и удалённая геологоразведка, и навигация, и система передачи данных, и система синхронизации, и многое-многое другое.
– Некоторые ваши коллеги говорят о том, что время – это некое условное, абстрактное понятие, придуманное человеком. А вы, наоборот, пытаетесь его измерить самым точным образом. Кто же прав?
– Мы очень тесно работаем с Всероссийским научно-исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений, который осуществляет функции Государственной службы времени и частоты РФ. Там хранится стандарт и государственный эталон времени и частоты. С участием передовых научных школ в области квантовой метрологии был разработан ГОСТ на измерение времени и частоты. Это документ, который позволяет стандартизировать методы и подходы в области измерения времени и частоты. Так вот интересно, что в данном документе не дано определение собственно самой измеряемой величине – времени. То есть что такое время и что такое частота – не указывается. В этом смысле такая точка зрения учёных из области квантовой метрологии имеет право на существование. При этом обыватель может сказать, что времени нет, потому что никто не знает, что это такое, так как физический смысл этой величины не определён. Но тем не менее события реализуются, одно событие следует за другим, и к этим событиям можно условно привязать какую-то шкалу и сказать, что есть некий единичный интервал, который мы можем назвать секундой, а комплекс таких секунд, привязанных к шкале, назвать временем.
– Есть известное изречение – «счастливые часов не наблюдают». Что вы об этом думаете?
– Я счастливый человек, потому что занимаюсь любимым делом, а именно наукой.
– Несмотря на то, что пытаетесь наблюдать время?
– Как раз именно потому, что, в том числе, занимаюсь временем. И группа молодых ребят, которые со мной работают над этой задачей, а это и аспиранты, и кандидаты наук, и студенты, работают увлечённо, с самоотдачей, они погружены в дело. Значит, всё не зря.
– НИЯУ МИФИ в рамках программы Приоритет‑2030 поддержал проект, направленный на заморозку атомов тория. Это имеет отношение к ядерным часам?
– Косвенное. Наши китайские коллеги опубликовали несколько работ, где показали, что есть положительные ионы, есть нейтралы и есть отрицательные ионы. У нейтрала есть такое понятие, как сродство к электронам. То есть каждый атом может с той или другой долей вероятности принять на себя электрон. Таким образом, появляется ион с отрицательным зарядом. С единичным отрицательным зарядом – это анион тория‑232. Считается, что этот анион самый перспективный среди всех анионов, которые на сегодняшний день изучаются с точки зрения его лазерного охлаждения и спектроскопии в ловушке Пауля. Это такой инструментарий, который используется как для квантовой метрологии, для квантовых часов в частности, так и для создания ионных квантовых вычислителей.
– Но почему опять торий?
– Такое удивительное совпадение. В рамках развития научной тематики НЦФМ благодаря академику Александру Михайловичу Сергееву нам предложили продолжить эксперименты с лазерным охлаждением ионов тория3+ для ядерных часов. На существующей ловушке Пауля можно модернизировать систему регистрации и детектировать частицы различных зарядностей. А потом уже в ходе исследований оказалось, что торий ещё может быть использован для создания ионного квантового вычислителя на анионах тория. Стали развивать эту тематику. В результате сейчас рассматривается гипотетически возможность создания квантового компьютера именно на анионах тория. Так что возможности этих технологий огромны, а заниматься ими невероятно интересно.
Источник: НИР №11, 2026
Беседовала Наталия ЛЕСКОВА
Фото пресс-службы НИЯУ МИФИ