Российские ученые начали эксперименты по запуску ядерных часов на тории

На планете «затикали» ядерные часы, которые приблизили человечество к ультраточному измерению секунды – 1 на 10 в минус 20 степени. Сразу несколько научных групп в разных уголках планеты объявили о достижении цели – первых экспериментах по запуску часов, работающих на изотопе тория-229. Этих экспериментов все ждали больше 20 лет. Как выяснил «МК», в авангарде вместе с представителями США, Китая и Европы оказались и наши, российские ученые из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. Кстати, еще в 1990-х именно российский ученый Евгений Ткаля разработал теоретическую основу и предложил использование данного перехода для стандарта времени и частоты.

Событием минувшей недели стали публикации физиков из китайского Университета Цинхуа и Венского центра квантовой науки и технологий в Австрии, которые «впервые» использовали ядро ​​атома тория-229 для измерения времени. Пока они не обогнали по точности самые точные на сегодняшний день стронциевые и иттербиевые атомные часы, но, лиха беда начало...

Оказалось, что российских физиков отделяет от лидеров лишь нестабильное финансирование, да еще... информационный вакуум, – российский журнал, в который они послали свою работу еще в декабре прошлого года, до сих пор не сообщил миру об их достижении.

Но давайте сначала о самом научном результате, который приближает нас к новейшему эталону времени будущего, который сегодня рассматривается многими, как предел точности.

Высокая точность стандарта частоты позволит измерять гравитационное поле Земли, проводить дистанционное обнаружение залежей редкоземельных элементов, нефтяных и газовых месторождений, решать задачи специального назначения. Я уже не говорю о большом значении для проверки основ космологических эффектов общей теории относительности.

– В чем же его преимущество часов на основе тория-229 по сравнению с атомными? – задаю я вопрос одному из разработчиков российской научной группы, доктору физико-математичских наук, руководителю проектного офиса международного Квантового университета, заведующему кафедрой квантовой метрологии Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Петру Борисюку.

– Если атомные часы измеряют время путем регистрации частоты атомарных переходов, то ядерные отсчитывают секунды по изменению конфигурации ядра. Поскольку ядро ​​гораздо более изолировано от окружающей среды, чем окружающие его электроны, оно менее уязвимо к помехам от электрических и магнитных полей, а значит, сможет в будущем измерять секунду точнее имеющихся атомных часов.

– Почему все остановились именно на тории-229?

Только этот элемент позволяет измерить изменения структуры ядра с помощью лазерного излучения. Ученые нашли резонансную частоту лазерного излучения при воздействии которого ядро тория-229 переходит в возбужденное изомерное состояние.

– Какой же точности достигли созданные ядерные часы?

– Пока она меньше действующего стандарта – всего 1 на 10 в минус 15 степени. Но в будущем, через несколько лет этот радиоактивный изотоп с периодом полураспада 7880 лет позволит нам уточнить определение секунды до 10 в минус 20 степени.

– Кто сейчас в мире впереди по разработкам ядерных часов?

– Можно сказать, что американцы, китайцы, и европейцы идут вровень, внедрив ядра тория-229 в широкозонные кристаллы на основе фторидов. Мы движемся неплохими темпами, но, увы, пока вынуждены лишь догонять зарубежных физиков, хотя идея о создании ториевых часов была высказана больше 30 лет назад именно нашим ученым Евгением Викторовичем Ткаля, который является профессором нашей кафедры в НИЯУ МИФИ, а также научным сотрудником РФЯЦ ВНИИЭФ и ФИАН. Причем, если еще в начале 2000-х годов на него ссылались все разработчики ядерных часов в мире, то после 2022 года, словно по чьей-то команде перестали.

– По идее, именно вы должны были сейчас лидировать. Как получилось, что вы лишь догоняете?

– Могу рассказать. Наш экспериментальный ториевый проект стартовал еще в 2012 году под руководством профессора НИЯУ МИФИ Трояна Виктора Ивановича, а Ткаля Евгения Викторовича подключился к проекту как теоретик. Планировался проект на три года, – на первом этапе мы должны были создать ионную ловушку, на втором – систему лазерного охлаждения, на третьем – сделать лазер для поиска того самого ядерного перехода. Первый этап нам поддержали, – мы сделали ионную ловушку, опубликовав два патента, а когда дело дошло до второго этапа, проект неожиданно закрыли.

– Какое было объяснение?

– «Работа не соответствовала тематике гранта», нам сказали, что это метрологическая задача, и её надо решать с метрологами, а не с ядерщиками... Мы пошли другим путем, добились финансирования от Российского научного фонда, закупили приборы, спектрометр, обновили приборную базу, шли вперед, и вскоре, в 2022 году подали заявку на продление действующего гранта РНФ по ведущим лабораториям. Но нам сказали: «Ребята, мы не поддерживаем продление вашего проекта, потому что вы не разработали ядерные часы»... Хотя в 2022 году никто в мире еще не разработал ядерные часы. Весь научный мир, и мы в том числе, были в шаге от этого достижения...

– Как же вы добились продолжения работы?

– Нас взял под свое крыло Научный центр физики и математики в Сарове под руководством академика РАН Александра Михайловича Сергеева, за что мы ему очень благодарны. Сейчас идем почти ноздря в ноздрю с зарубежными группами. Из-за «разорванного» финансирования, к сожалению, немного отстаем. Да и часть людей разбежалась в свое время, с формулировкой: «Нам семьи кормить надо!».

– И все-таки, вопреки всему, вы выстояли и продолжаете работать. Ваши эксперименты отличаются от зарубежных?

– Мы все движемся примерно в одном фарватере. Опыты с созданием твердотельных ядерных часов с внедрением тория в кальций-фтор или похожие фторидные кристаллы, показали, что получить такие беспрецедентные точности, о которых говорят теоретики (10 в минус 20 степени), то есть, на 2–3 порядка лучше, чем у стронция или иттербия, не удалось. Поэтому мы, также создав свои твердотельные часы, сейчас, как и коллеги за рубежом, отрабатываем вторую концепцию, когда торий «сидит» в так называемой ионной ловушке. Там он охлаждается до температуры порядка нескольких микрокельвинов, и после у этого холодного иона, локализованного в пространстве с помощью электромагнитных полей, опрашиваем его ядерное состояние.

Итак, упущенный приоритет, лишение финансирования, после – наверстывание. Через что только не приходится проходить в современной России тем, кто укрепляет научно-технологических потенциал страны!

Хорошо, что хоть в самом тории-229 у нас нехватки не ощущается. Еще во времена СССР у нас было наработано много урана-233 – генератора тория-229. И в этом (спасибо советскому наследию) у нас есть преимущество перед китайцами и европейцами, которые вынуждены покупать его у американцев.