Ученые переведут мир на новое время

25 апреля 2019
Евгений Ткаля, заведующий лабораторией НИИ ядерной физики МГУ

В природе известно около 3500 атомных ядер. Они значительно меньше атомов и представляют собой плотную упаковку из нейтронов и протонов. Энергии, характерные для переходов между возбужденными состояниями ядер, исчисляются обычно десятками и сотнями килоэлектронвольт, а иногда и мегаэлектронвольтами. (Электронвольт – внесистемная единица энергии, которой пользуются физики, занимающиеся исследованиями атомных и ядерных процессов. Она равна энергии, приобретаемой частицей с единичным зарядом при прохождении разности потенциалов в 1 вольт.)

В конце 80-х – начале 90-х годов ХХ столетия американские физики обнаружили у ядра тория-229 крайне необычное свойство. Оказалось, что основное состояние этого ядра представляет собой дублет уровней, разнесенных друг от друга всего лишь на несколько электронвольт. Таким образом, первое возбужденное состояние в ядре тория-229 имеет вполне «атомную» величину энергии, равную, по последним данным, 7,8 +/- 0,5 электронвольта. Эту удивительную особенность можно использовать в технологических целях. Например, разработать на основе тория-229 новый ядерный стандарт времени и частоты и с его помощью поднять точность измерения промежутков времени по сравнению с существующими атомными часами примерно на порядок. Это, в свою очередь, даст развитие приоритетным направлениям науки и техники РФ, скажем, в области обеспечения и поддержания системы ГЛОНАСС, создания Единой системы координатно-временного обеспечения России, систем высокоточного позиционирования при освоении космического пространства, качественного прорыва в области гравиметрии для геодезии, геологии, океанологии и еще многого-многого другого. 

Сегодня в мире над созданием ядерного стандарта частоты активно работают передовые исследовательские группы в США (NIST, Los Alamos National Laboratory, Georgia Institute of Technology и др.) и Германии (Physikalische Technische Bundesanstalt, Ludwig-Maximilians-Universität München), а также в ряде других организаций в Западной Европе и Австралии. В 2015 году в рамках FET-проекта (Future and Emerging Technologies) в странах ЕС с участием США был создан европейский консорциум nuClock, активно и успешно занимающийся подобными разработками. Одним из главных факторов, сдерживающих экспериментальную реализацию ядерного стандарта частоты, является отсутствие методики возбуждения ядерного изомерного перехода в изотопе Th-229 и, как следствие, отсутствие надежных данных по точному значению его энергии и времени жизни. 

В России, где и возникла сама идея использовать возбужденное состояние тория-229 в качестве стандарта времени и частоты, экспериментальные работы в этом направлении ведутся только в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» и Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН. На площадке кафедры «Физико-технические проблемы метрологии» (№78) Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ разработан уникальный экспериментальный стенд, позволяющий проводить исследования по получению, захвату одиночных ионов тория в линейной ловушке Пауля. Эти работы ведутся уже много лет, а в последние годы и в рамках проектов, поддержанных Российским научным фондом. В марте нынешнего года перспективы исследований высоко оценены на конкурсе «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов. В результате Российским научным фондом был поддержан проект «Разработка стандарта времени и частоты на базе уникального оптического перехода в ядре тория-229» и выделен соответствующий грант. Руководит работами по этому гранту профессор НИЯУ МИФИ, заведующий лабораторией НИИ ядерной физики МГУ Евгений Ткаля – теоретик и автор идеи использования ядер для создания часов. Заботы ответственного исполнителя по реализации экспериментальной части проекта возложены на молодого доцента НИЯУ МИФИ Петра Борисюка.

— Евгений Викторович, как я понял, торий-229 интересен, прежде всего, свойствами энергии перехода атомного ядра. Что это за энергия такая?

— Энергия перехода – это разница энергий двух квантовых состояний, между которыми происходит атомный или ядерный переход. Так, например, рождается свет: атом переходит из возбужденного состояния в основное или, что то же самое, электрон перескакивает с возбужденного уровня на уровень с меньшей энергией. При этом излучается фотон – свет, который мы видим. Если процесс идет в обратную сторону, происходит поглощение света.

— Научные изыскания длятся уже три десятилетия. Что удалось узнать о свойствах тория-229?

— Мы уже многое знаем, в основном благодаря теоретикам. Что мы пока плохо себе представляем, так это точное значение энергии перехода. Понимаете, ситуация странная. Мы не видим перехода, то есть не видим фотонов, и потому не можем ни возбудить этот уровень, ни зафиксировать его распад. При этом мы много о нем знаем из теоретических расчетов. Например, мы хорошо понимаем, каковы каналы распада уровня, ориентировочное время жизни возбужденного ядра, еще много всяких нюансов.

— А когда придет время экспериментальных исследований?

— К счастью, мы уже несколько лет активно сотрудничаем с кафедрой метрологии НИЯУ МИФИ. Это стало огромной удачей: с 2013 года мы стали взаимодействовать, рассматривая всякие задачи, проводить семинары.

— Экспериментальная работа – это прежде всего установки?

— Да, установки, а значит, деньги и время. Техника, которой располагает МИФИ, создается десятилетиями. С ней еще нужно научиться работать – это культура проведения эксперимента. Хорошо, что в вузе к моменту нашего знакомства было уже все почти готово – установка создавалась совсем для других целей, а пригодилась для реализации проекта. Теперь у Петра Викторовича в МИФИ целая команда, молодая и активная, – улыбается Евгений Ткаля.

Десять человек – постоянный состав: аспиранты, молодые сотрудники и порядка 20 совместителей, – уточняет Петр Борисюк. – Условия гранта определяют число участников: не менее 20, но не более 30.

Петр Борисюк, доцент НИЯУ МИФИ

— Молодежь охотно работает по проекту?

— Конечно. Они заканчивают бакалавриат или магистратуру и думают пойти дальше в «Яндекс», Mail.ru, «Лабораторию Касперского» или, например, остаться в МИФИ. Мы пытаемся завлечь возможностью защиты диссертации и интересной тематикой. Ребята знают, что наша группа принята в международное комьюнити, известна и уважаема в мировой науке. А Евгений Викторович как автор этого направления исследований вообще вне конкуренции. Естественно, что молодежи интересно у нас работать. Не обижены они и в заработке.

— Благодаря гранту?

— Эти гранты для нас – спасение, – признается Е. Ткаля. – Совсем недавно закончился трехлетний грант РНФ, который также был посвящен торию. А нынешний – в продолжение тех перспективных исследований. Но хочу подчеркнуть: не будь в МИФИ соответствующей установки – ловушки Пауля (их в России всего две), а также другого необходимого оборудования – а это целый комплекс из электронной пушки, мощного импульсного лазера, вакуумных камер, всевозможных манипуляторов, измерительных датчиков и прочего – и начинать бы не стоило.

— И что могут ловушки Пауля?

— Ловушка Пауля разработана в 1980-е и сейчас активно используется среди спектроскопистов для прецизионных измерений свойств атомных состояний. У нас две концепции, – рассказывает ученый. – Первая – твердотельная, при которой ионы тория имплантируют в матрицу прозрачного кристалла с большой шириной запрещенной зоны, или, как мы говорим, широкозонного диэлектрика. Вторая – когда ионы удерживаются в ловушке электрическими полями.

— С чего начинали в МИФИ?

— В свое время нас поддержал «Росатом», который дал деньги на ионную ловушку. Мы ее сделали. Получили два патента в 2012-2013 годах, – рассказывает Петр Викторович. – Ионная ловушка – это сам по себе сложный инструментарий. Но фишка в том, что для наших сегодняшних целей нужен еще перестраиваемый ультрафиолетовый лазер. Это позволило бы проводить прецизионные измерения, возбуждая низколежащий ядерный уровень. Эта задача сродни поиску иголки в стоге сена.

Подготовка чистых кристаллов 229Th3+

Чтобы вы представляли, ширина лазерной линии примерно десять в минус восьмой степени электронвольта. И этим необычайно узким лучом нужно «пройти» диапазон порядка одного электронвольта, облучая на каждом шаге ядра тория-229 в течение примерно 30 минут. Это процесс на годы. В гранте два направления, а вообще их порядка десяти. Занятно, что мы все эти направления сами и придумали. Но воплотить их трудно, мы не можем соревноваться с американскими и европейскими физиками ни по деньгам, ни по оборудованию, ни по количеству исследователей. Такова сейчас ситуация с наукой в стране.

— И какое направление вы считаете самым важным?

— Заявленной целью проекта является создание нового стандарта времени и частоты на базе ядра тория-229. Лабораторная ионная ловушка – достаточно большое устройство, ее на самолет не поставишь. Такой вариант часов, понятно, будет малотранспортабельным, – объясняет Евгений Викторович. – А чтобы сделать компактные транспортируемые часы, нужен кристалл. Отсюда так называемое твердотельное направление: внедряем ион тория в диэлектрик с большой шириной запрещенной зоны, а дальше уже работаем с ним в кристалле. Помимо ядерных часов здесь открывается вторая нетривиальная и очень интересная перспектива – разработка лазера на ядерном переходе, то есть в нашем случае гамма-лазера оптического диапазона. В общем, если получится осуществить первое, то удастся и второе. Два рассмотренных устройства – ядерные часы и лазер на ядерном переходе – могут оказать влияние на уровень технологического развития человечества. В лучшую сторону, надеюсь.

— Можно с этого момента подробнее?

— Прибор, который мы надеемся сделать, будет иметь невероятную точность разрешения по времени. Кроме того, атомное ядро снаружи защищено от влияния внешней среды атомной оболочкой, и поэтому часы на ядерном переходе получатся более помехоустойчивыми по сравнению с атомными – приятная перспектива, к которой сегодня стремятся физики в разных странах.

— Иными словами, речь идет о фундаментально-прикладных исследованиях?

— Скажем так: я занимаюсь сугубо фундаментальными исследованиями. И мои работы по торию-229 тоже носили исключительно научный характер. Часы и лазер – это, так сказать, побочный результат этих исследований. Но, к счастью, эти «побочные» результаты представляют отдельную ценность и имеют прикладное значение.

Возбуждение изомерных ядер тория-229 в лазерной плазме по механизму обратной электронной конверсии и их инжектирование в приповерхностную область тонкого слоя SiO2/Si(001)

— Внедрение в производство дорого? Кто будет создавать прикладные технологии?

— Часы будут стоить недорого, – отвечает Е. Ткаля.

— Есть Госслужба времени и частоты – единственная организация, осуществляющая поверку, метрологическую аттестацию и прочие процедуры, связанные с конкретными технологическими приложениями, – разъясняет П. Борисюк. – В Нижнем Новгороде находится фирма «Время Ч», которая производит водородные мазеры. Наверное, самые лучшие часы в мире на водороде. Существуют Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, «Российские космические системы», ГЛОНАСС и прочие организации и ведомства, которые найдут применение тем хронометрам, что будут сделаны на основе результатов наших работ.

— Когда появятся эти новые часы?

— Сегодня основная проблема в том, что никто еще не знает точно энергию перехода, – уточняет Евгений Викторович. – И это, как ни странно, большая удача для нас. Как только кому-то в мире (в том числе и нашим конкурентам) удастся измерить энергию до тысячных долей электронвольта, часы в США и Европе будут созданы примерно… в течение месяца-двух. Технически мы сейчас заметно отстаем от западных коллег – они сконструировали свои ловушки еще в 2008-2009 годах. Наша команда пытается ликвидировать это отставание. В том числе и за счет передовых идей. А грант РНФ помогает нам эти идеи превратить в реальность. К примеру, никто пока не может возбудить ядро тория-229. А это необходимо. И здесь мы первые придумали и провели возбуждение тория-229 в лазерной плазме. Нам удалось возбудить очень большое число ядер, даже не зная точного значения их энергии. Сегодня уже подготовлена научная статья на эту тему. Одна из 45, что мы должны опубликовать по нынешнему гранту.

— А «железо» для установки сами делали?

— Ионная ловушка полностью наша, камеру нам сварили во ВНИИ вакуумной техники им. С.А. Векшинского, – рассказывает П. Борисюк.

Лазеры, которыми мы будем удерживать ионы тория, мы купили в Новой Москве, в Троицке, где их сделала одна коммерческая фирма, – дополняет коллегу Е. Ткаля. – В России индустрия по производству приборов как бы умерла, но есть отдельные фирмы, имеющие компетенции по производству того или иного научного оборудования. Его приходится искать по всей стране – от Кавказа до Сибири и Дальнего Востока. Все это не очень удобно, но спасает!

Правда, для работ по лазерной имплантации применяем импортный спектрометр, – вспоминает П. Борисюк. – Но мы его адаптировали для проведения исследований. Получился хороший полусферический энергоанализатор спектров. Короче, на 90% «железо» – отечественное.

— Сколько денег обещал РНФ за четыре года?

— 30, 28, 26 и 24 миллиона рублей соответственно. Еще должен быть вклад индустриального партнера, у нас это ООО «Авеста», научно-производственная компания, занимающаяся производством лазерного оборудования для сверхбыстрой спектроскопии и микрообработки материалов, базируется в Троицком технопарке ФИАН.

— Бумаготворчество не изнуряет?

— По сравнению с грантами Минобрнауки РНФ – просто подарок. Но бумажных дел все равно хватает.

— Как взаимодействуете с коллегами из других институтов?

— В России работаем с ФИАН и Институтом лазерной физики СО РАН. А за рубежом… Сотрудничать с зарубежными коллегами, мягко говоря, сложно. Но мы находимся в контакте практически со всеми. Ведем дозированный обмен информацией. Дело в том, что в советской научной традиции публикации результатов обычно предшествовало их обсуждение на разных научных семинарах, где работа подвергалась весьма серьезному рассмотрению коллегами. И это считалось совершенно нормальным. Западная научная традиция допускает обсуждение с посторонними только уже опубликованных результатов. Отчасти поэтому и приоритет часов западный, хотя придумали их в России.