Изолирующая сфера вокруг атома тория поможет создать ядерные часы

Физик из МГУ Евгений  В. Ткаля 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 ε_ν ~ 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, статья с сайта https://nplus1.ru/news/2018/03/22/Purcell-Th-229

Литература:

1. О работе Ткаля в Physics

2. Оригинал работы Е.В. Ткаля в PRLett

3. Статья Е.В. Ткаля в PhysRev 2000 г.

4. Статья Е.В. Ткаля в PhysRev 2016 г.