4 млн. евро отпуска ЕС за финансиране на международен проект под ръководството на Технически университет Виена. Целта е разработване на часовник с ториево ядро, който трябва да засенчи с точността си всички настоящи методи за измерване, съобщава сайтът на университета.

Атомните часовници са най-точните измервателни уреди, познати до момента. Те имат отклонение (забавяне или избързване) от около секунда за милиарди години. Учените в ТУ обаче искат да направят още една крачка напред в развитието.

На основата на ядра на изотопа торий-229 ще бъде разработен атомно-ядрен часовник, който ще се отличава с още по-голяма прецизност, като в същото време ще бъде по-опростен и по-стабилен от досегашните атомни часовници.

Наред с това ще бъде проучен и въпросът, дали природните константи наистина са постоянни или претърпяват минимални промени с времето.

В рамките на програмата за научно развитие Хоризонт 2020 Европейският съюз субсидира изследователския проект „nuClock“ с общо 4 милиона евро за период от 4 години. В проекта наред с ТУ Виена взимат участие също университети и фирми от Германия и Финландия.

Атомното ядро като измерител на време

Всеки часовник се нуждае от възможно най-стабилен периодичен процес, който да определя такта на отмерване. Това може да е движението на махалото, процесът на осцилация в кристали при кварцовия часовник или равномерното постъпване на светлина, която се абсорбира от атомите.

„Според законите на квантовата механика всеки електрон в атома може да се намира само в едно състояние с определена енергия“, обяснява проф. Торстен Шум (Thorsten Schumm). С помощта на лазер, чиято честота на светлинната вълна отговаря съвсем точно на енергийната разлика между две подобни нива, един електрон може да бъде стимулиран да премине от по-ниско към по-високо енергийно ниво. След това той се връща в изходното си състояние и отново излъчва светлинни вълни със същата честота. С подобни методи може изключително точно да бъде измерена разликата в енергиите между две квантови състояния и по този начин да се определи съвсем точно фреквенцията. Към настоящия момент дефиницията за понятието „секунда“ е следното: продължителността на 9 192 631 770 прехода между две енергетични нива на цезиевия атом.

Атомно-ядрен вместо атомен часовник

Всички досега разработени атомни часовници използват прехода на електрони в рамките на електронната обвивка от орбити с една енергия към орбити с друго енергетично ниво. Много по-удачно би било всъщност вместо електроните в атома да се използва директно неговото ядро. Атомното ядро е хиляди пъти по-малко от електронната обвивка и много по-неуязвимо за външни смущения. „При обичайните атомни часовници са необходими много усилия за защита на атома от електромагнитните полета. Нашият атомно-ядрен часовник би бил много по-стабилен“, споделя Торстен Шум. Ториевите ядра не е необходимо да бъдат изолирани, те могат дори да бъдат вграждани в кристали, като енергетичните състояния се запазват. За един атомно-ядрен часовник не е необходима специално оборудвана за целта лаборатория, той може да бъде сравнително компактен и например да бъде монтиран в сателит и изстрелян в Космоса, за да послужи за нуждите на следващото поколение навигационни системи.

„Проблемът впрочем се състои в това, че преходът на атомното ядро между различни състояния се осъществява по съвсем различна енергийна скала“, обяснява Симон Щелмер (Simon Stellmer) (също от Института за атомна физика към ТУ Виена). Когато електроните преминават от едно състояние в друго, се отделя светлинна енергия от няколко електронволта, докато при промяна състоянието на атомното ядро отделената енергия може да достигне около 100 000 електронволта. Следователно е необходим по-особен вид атомно ядро, при което отделената енергия при две различни състояния да е приблизително еднаква.

Диск, съдържащ атомни ядра на радиоизотопа торий-229. В бъдещите ядрени часовници те ще бъдат тези, които ще отмерват такта. Снимка: TU Wien

Торий-229

„Най-добрият кандидат за това е торий-229, един много рядък изотоп, който се създава единствено по изкуствен път“, пояснява Торстен Шум. По-малко от 1 милиграм от него понастоящем са на разположение на всички учени взети заедно в цял свят. „Вече са налице много предположения, че ядрото на торий-229 притежава възбудено състояние, при което енергията му надвишава само със 7 електронволта тази в основното му състояние. „В атомната физика това е нищожна енергетична разлика. Продължителността на това състояние е изключително дълга: Едва след хиляди секунди атомното ядро се връща в основното си състояние – в повечето случаи в квантовата физика се говори за незначителни части от секундата, когато става въпрос за продължителност.“

В квантово-физично отношение продължителността е свързана с прецизността на измерването“, казва Симон Щелмер. „ Колкото по-продължително е възбуденото състояние, толкова по-прецизно се дефинира енергията на съответното лъчение.“ От една страна това е положителна черта: Светлинната енергия, която отговаря на прехода между двете състояния на ториевото атомно ядро, в крайна сметка трябва да има възможно най-точно дефинирана фреквенция, за да имаме възможно най-точният отмерител за измерване на време. С това обаче всъщност е свързан един голям проблем: Също толкова точно трябва да се открие и правилната фреквенция, за да може преходът въобще да бъде осъществен.“

Ториевата игла във фреквентната купа сено

„Всичко това е буквално търсене на игла в купа сено“, споделя Торстен Шум. Ториевото ядро трябва да бъде облъчено със светлинна вълна с абсолютно точната честота, след което то абсорбира лъчението, преминава в малко по-високо енергетично ниво, след няколко хиляди секунди се връща в основното си състояние, при което отделя светлинна енергия, която ние можем да измерим. И именно поради високата прецизност, която е необходима тук, е трудно да се открие моментът на прехода и да се определи неговата точна фреквенция.“ Да се изпробва всяка възможна фреквенция би траело невъобразимо дълго, затова екипът работи върху различни възможности за откриване на точната фреквенция при ториевото ядро.

Симон Щелмер е убеден: „В момента, в който окончателно идентифицираме търсения преход на атомното ядро, можем да използваме това за много други цели.“ Междувременно всички необходими технологии за използване на този феномен вече са налични – в основни линии сме наясно какво е необходимо да се направи.“

Симон Щелмер и Торстен Шум. Снимка: TU Wien

Колко константни са природните константи?

Началото на функционирането на атомно-ядрения часовник ще доведе със себе си вълнуващи възможности за приложение. „С него не само ще може да се измерва времето, но и ще бъде възможно извършването на проверка, доколко основните константи във физиката са наистина константни величини. Съществуват теории, че определени физични величини като например електромагнитното взаимодействие, постепенно се променят във времето“, казва Шум. „Ако се докаже, че природните сили се променят след милиарди години, това напълно ще промени нашето разбиране за по-ранните етапи на съществуване на Вселената.“ Атомно-ядрените часовници ще бъдат толкова чувствителни, че биха могли да установят подобни изменения, ако наистина съществуват, само в рамките на няколко години.

Значително ЕС-финансиране

Разработването на атомно-ядрения часовник е висококомплексна задача, за чието осъществяване е необходима най-добрата експериментална техника, детектори и лазери от напълно различни изследователски области. Затова екипът на ТУ Виена привлича на борда и редица партньорски организации. В ръководения от ТУ Виена проект „nuClock“ през следващите 4 години ще вземат участие и университети от Германия и Финландия, както и един партньор от областта на индустрията. Проектът е субсидиран с 4 млн.евро като един от 24-те изследователски проекта в различни специализирани области от цяла Европа, които се финансират в отворения конкурс за нови и бъдещи технологии в рамките на програмата за научни изследвания и иновации Хоризонт 2020. Одобрени са по-малко от 4% от всички подадени проекти, поради което финансирането е едно голямо отличие.

Още по темата

22/04/2015

Физика

Нов рекорд в точността на атомните часовници