Чем уникален атом тория

В основе атомных часов лежит явление так называемого ядерного перехода — процесса, при котором атомное ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Одна из задач, которая стоит сегодня перед физической наукой,— использовать явление ядерного перехода для конструирования нового поколения ядерных часов.

Ядерные часы будут отличаться от атомных, которые работают на атомном переходе — процессе изменения энергетических состояний электронов в атоме.

Научный мир недавно облетела новость, что сразу две группы ученых из Венского центра квантовой науки и китайского Университета Цинхуа провели эксперименты по запуску ядерных часов на изотопе тория-229. С ними в нашу жизнь войдет новая точность — ядерные часы будут определять время с точностью в 10-20–10-21 секунды, а атомные часы, которые есть во многих странах, в том числе в России, дают пока 10-17–10-18.

Чем ядерные часы отличаются от атомных, зачем они нужны и когда их сделают, об этом «Ъ-Наука» поговорил с докторами физико-математических наук из МИФИ Петром Борисюком, заведующим кафедрой физико-технических проблем метрологии, и Евгением Ткаля, профессором Института лазерных и плазменных технологий. Именно Ткаля еще в 1993 году предложил идею часов на ядерном переходе на основе тория-229.

— Коллеги, для начала — зачем вообще нужна такая сверхточность времени?

Петр Борисюк: Это активно используется в разных областях науки, в первую очередь в экспериментальной ядерной физике и в приложении наук, скажем, для удаленной разведки полезных ископаемых. Как? Часы в гравитационном поле замедляют свой ход: представьте, что вы летите на самолете и видите, что часы пошли медленнее, потому что увеличился гравитационный потенциал, а значит, под вами в земле есть что-то более плотное и тяжелое. Так находят аномалии, а геологи уже дальше уточняют, что именно там есть. С обнаружением подводных лодок та же история: можно заметить, что под водой находится что-то более плотное, океанское дно ведь уже более или менее промерено, все знают, где и что. Это можно увидеть и со спутника, только нужна точность 10-20. Сейчас широко распространены атомные часы на атомах цезия (10-16, это эталон) и стронция (они дают точность 10-17–10-18 секунды, планируется принять их за эталон к 2030 году), они уже работают в мире и в России.

Евгений Ткаля: С точки зрения фундаментальной науки, это прежде всего поиск темной материи — это отдельная очень интересная и актуальная задача. Мы точно знаем, что она есть. Об этом говорят данные гравитационного линзирования сталкивающихся галактик. Наблюдения показывают, что значительное количество невидимой материи проходит через галактики без взаимодействия и рассеяния, отрываясь от светящейся материи, которая отстает из-за взаимодействия. Предположим, что темная материя состоит из адронных аксионов, частиц, которые взаимодействуют с атомными ядрами и не взаимодействуют с лептонами — в частности, с электронами (аксион — это одна из популярных моделей темной материи). Если пара часов — одни ядерные, а другие атомные — оказывается в области, занятой такой темной материей, то атомные часы не изменят свой ход, поскольку адронные аксионы практически не повлияют на энергии электронных состояний. А вот ход ядерных часов изменится, так как поле, создаваемое сверхлегкими аксионами, будет взаимодействовать с атомными ядрами, слегка меняя энергию ядерных состояний и, соответственно, энергию часового перехода. Возникнет сбой в синхронизации сверхточных атомных и ядерных часов, что укажет на наличие темной материи. Наша галактика Млечный Путь погружена в темную материю, но мы не знаем, как она локально распределена вокруг Земли. Если сгустки темной материи чередуются с областями, в которых ее нет, то длительные измерения, в течение которых Земля пролетает через такие области пространства, могут привести к ожидаемой рассинхронизации атомных и ядерных часов. Кроме того, можно будет проверить на новом уровне точности постоянство во времени фундаментальных констант — например, электрического заряда, а также возможность управления ядерным распадом и другие нетривиальные вещи.

— Наверное, у решения любой фундаментальной проблемы в конце концов будет и какое-то прикладное значение.

Е. Т.: Ну, на этот счет есть классический пример — это уравнения Максвелла, объединяющие все базовые законы электричества и магнетизма в одну теорию, на основе которых теперь работает многое из того, чем мы пользуемся в жизни. Вся классическая электродинамика, основанная на уравнениях Максвелла, лежит в основе многочисленных приложений электро- и радиотехники, СВЧ и оптики. Но ведь сам Максвелл не знал, что так будет. Так и сегодня: пока нам не вполне ясно, что даст понимание природы темной материи в плане приложений, но мы будем больше знать о том, как устроена Вселенная. Ведь видимого вещества в ней очень мало, оно занимает всего лишь 5%.

— Чем будут отличаться ядерные часы от атомных?

Е. Т.: Это одновременно и аналог атомных часов, и нет. Ядерные часы будут иметь колоссальное преимущество перед атомными, потому что будут измерять время по очень стабильному переходу между ядерными состояниями, а не через регистрацию частоты электронных переходов в атоме или ионе (как в атомных часах). Дело в том, что ядро тория-229 укрыто облаком из 90 электронов. В электронных переходах атомных часов участвуют, как правило, валентные оболочки атомов. А они очень сильно завязаны на химическую связь: любое химическое окружение сильно воздействует на атомную оболочку, то есть электронные переходы подвержены внешнему воздействию. А ядро тория практически никак не чувствует этого окружения, поэтому часовой ядерный переход будет очень стабильным. И это единственное известное на сегодняшний день ядро, у которого есть переход оптической энергии, то есть энергия этого перехода соответствует энергии атомных переходов, это несколько электронвольт.

— Вопросы приоритета не последние, это важно для престижа страны. Когда вы стали этим заниматься и когда были опубликованы первые статьи?

Е. Т.: О том, что в тории существует переход сверхнизкой оптической энергии, впервые стало известно из публикации американских физиков C. W. Reich и R. G. Helmer из Национальной лаборатории Айдахо в 1990 году. Это своеобразная Мекка ядерщиков-спектроскопистов, там реакторы нарабатывают различные ядра для исследований. Так вот, тогда экспериментаторы измерили спектр излучения ядра тория-229 (он возникает после альфа-распада урана-233) и выявили, что рядом с основным состоянием ядра должно быть низколежащее состояние (мы его называем изомерным) с энергией, как было написано в статье в Physical Review Letters 64, 271 (1990), 1±4 эВ!

Далее случилось просто чудо. В начале 90-х журнал Physical Review Letters обычно поступал к нам с задержкой в два-три месяца, но именно этот номер оказался в Библиотеке имени Ленина и попал мне в руки всего лишь через две недели после выхода в США! Я тогда как раз занимался процессами электромагнитного взаимодействия ядра с электронной оболочкой в разных порядках теории возмущений для квантовой электродинамики, искал механизмы возбуждения ядер на низколежащие изомерные уровни в лазерной плазме и так далее. То есть был готов к работе с таким необычным ядерным состоянием. Поэтому буквально через три месяца мы вместе с моим коллегой, отличным физиком, владеющим численными методами расчета на компьютере, Валерием Стрижовым из Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН написали статью для «Журнала экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ 99, 697, 1991), где рассмотрели ряд возможных каналов распада этого совершенно необычного для ядерной физики состояния, и там же предсказали канал распада через так называемый электронный мост (помимо стандартных каналов — гамма-излучение и внутреннюю электронную конверсию).

Короче, мы впервые показали, что с помощью этого необычного состояния тория можно исследовать в том числе химическое окружение того места, куда попало ядро со своей атомной оболочкой. Дело в том, что химия зависит от валентных электронов: они вступают в физико-химические связи, атомная оболочка поляризуется, и это сразу же будет отражаться на каналах распада и времени жизни этого изомерного ядерного состояния.

— Когда вы поняли, что это годится для ядерных часов?

Е. Т.: В 1993 году. Я тогда защищал докторскую и отлично помню, что в те времена на защите часто задавали стандартный вопрос: «Для чего это может быть использовано в плане приложений?» Перед защитой я мучительно думал, что ответить на такой вопрос, ну и решил, что можно сделать ядерные часы, как бы полный аналог атомных, но на ядерном переходе. Однако деликатных людей из диссовета Радиевого института им. В. Г. Хлопина, где я защищался, такой вопрос вообще не волновал. Поэтому, вернувшись в Москву, я поговорил об этой идее со своим учителем академиком РАН Александром Михайловичем Дыхне. Он сказал, что тоже об этом думал. Мы стали на физических семинарах рассказывать о тории-229, пытаясь заинтересовать разных высоких руководителей, имевших возможность финансирования такого проекта. Подавали на гранты, но они были маленькие, на них ничего, кроме теории, сделать было нельзя. Короче, мы посчитали тогда, что часы на ядерном переходе — это пока далекая прикладная задача.

— А за рубежом об этом уже думали?

Е. Т.: Нет. На торий в мире обратили внимание после того, как мы с А. М. Дыхне сделали доклад на международной конференции, кажется, в Праге, если я ничего не путаю, примерно в конце 1990-х годов. К тому времени энергия этого перехода уже уточнилась до 3,5±1 эВ. Но все это было на уровне разговоров теоретиков — только расчеты и обсуждение косвенных данных. Уровня как такового никто не видел. Однако я, как ядерщик, прекрасно понимал, что этот уровень есть и есть переход в основное состояние. В ядрах существуют разные типы уровней. В данном случае это были уровни ротационные, имеющие ярко выраженную квантовую ротационную структуру, то есть определенный порядок и расстояние между состояниями. И уже были известны несколько уровней как раз той ротационной полосы, основанием которой должно было быть низколежащее изомерное состояние. А его не было. Получалось как бы тело без головы. В ядре, в отличие от жизни, такого быть не может. Если есть все последующие ротационные уровни, то должен быть и основной, головной уровень. По всем прикидкам он должен был лежать в нуле, буквально рядом с основным состоянием. Поэтому я и продолжал заниматься этой проблемой, в основном из чисто научного интереса.

— Это и был низколежащий часовой уровень?

Е. Т.: Да, мы написали несколько статей, предсказав необычные свойства этого состояния и его каналы распада задолго до того, как словосочетание «ядерные часы» стали употреблять в мире. Да и сейчас продолжаем открывать для себя все новые и новые свойства низкоэнергетического перехода в тории-229. А в плане часов дело пошло после того, как немецкие физики-метрологи E. Peik и Chr. Tamm опубликовали в 2003 году в Europhysics Letters профессиональную метрологическую статью с идеей часов на низкоэнергетическом переходе в ядре тория-229 (Europhys. Lett. 61, 181, 2003).

— Кто первым придумал словосочетание «ядерные часы»?

Е. Т.: В одной из своих статей, опубликованной в Physica Scripta в 1996 году, я написал, что на этом переходе можно «сделать высокостабильный ядерный источник света для метрологии» (Phys. Scr. 53, 296, 1996), а это и есть ядерные часы. Еще где-то говорил о разработке «ядерного стандарта частоты». Но термин nuclear clock ввели в обиход E. Peik и Chr. Tamm.

— Как обстоит дело со ссылками сейчас?

Е. Т.: По-всякому. Кто-то ссылается, кто-то — нет. Обычное в науке дело. Некоторые идеи уже настолько вошли в сознание научных работников, что стали, как я говорю, «народными», прямо как ряд песен наших замечательных авторов. На эти мои работы ссылаться забывают.

— Как могут выглядеть ядерные часы?

П. Б.: Может быть два варианта конструкции. Один — твердотельный, компактный, с точностью, как сейчас выясняется, в 10-15 (в Цинхуа и Вене он уже есть). Второй — сверхточный вариант — 10-20. Это в ионной ловушке Пауля, которая есть у нас в МИФИ.

Е. Т.: В первом варианте заложена совершенно другая физика, предложенная нами в публикациях 2000 года (письма в ЖЭТФ 71, 449, 2000; Phys. Rev. C 61, 064308, 2000). Для часов, как известно, необходимо, чтобы атом или ядро излучали фотон. С атомом проблем нет. А вот низкоэнергетический переход в ядре обычно сопровождается выбросом электрона с атомной оболочки. Это так называемый процесс внутренней электронной конверсии. Он гораздо более вероятен в этой области энергий. В этом процессе ядро предпочитает сбросить энергию возбуждения на электронную оболочку, с которой уже электрон переходит в непрерывный спектр. И это реальная проблема для часов. Вероятность внутренней конверсии в атоме тория-229 на девять порядков (то есть в миллиард раз) превышает вероятность излучения фотона. Поэтому сделать часы на атоме тория невозможно. Но в наших работах 2000 года показано, что излучение из ядра можно все-таки увидеть. Для этого ядро, точнее атом тория, нужно поместить в ионный кристалл с большой шириной запрещенной зоны. В нем происходит своеобразная ионизация атома тория, поскольку его внешние электроны образуют связи с кристаллическим окружением и как бы уходят с атома. В результате энергия связи остальных электронов немного возрастает по модулю величины (энергии связи отрицательные), так как электроны теперь находятся в более сильном кулоновском поле ядра тория-229. Этого небольшого изменения энергий связи оказалось достаточно, чтобы энергии ядерного перехода стало недостаточно для выброса электрона с оболочки иона тория. То есть внутренняя конверсия подавляется законом сохранения энергии. И изомерному состоянию ядра ничего не остается, как распадаться с излучением фотона оптического диапазона! И вот спустя много лет это все подтвердилось. В ЦЕРНе в 2022 году наблюдали, как я иногда говорю, «ядерный свет» от распада изомера тория-229 в кристалле MgF2 (Nature 617, 708, 2023). В настоящее время известно уже около десятка ионных кристаллов, в которых запрещенная зона (то есть зона, в которой нет электронных состояний) превышает энергию ядерного перехода в тории-229 и которые подходят для наблюдения эффекта свечения ядра.

— Это кто-нибудь проверил уже?

П. Б.: Собственно, часы, которые сделаны за рубежом, подтвердили этот факт. Мы, в России, часы пока не сделали, потому что финансирование было очень дискретным. Но, правда, мы проводили спектроскопию ядер тория, и в журнале «Успехи физических наук» к концу года будет опубликована соответствующая работа.

Прогресс идет очень быстро. После работы ЦЕРНа уже спустя год американский физик Jun Ye с коллегами фактически сделал твердотельный вариант часов на широкозонном кристалле CaF2 (Nature 633,63, 2024). А еще через год его сделали в Вене и в Цинхуа, на том же CaF2.

Е. Т.: Следует, однако, отметить, что первым начал экспериментировать с торием-229 в широкозонных кристаллах американский физик Eric Hudson. Именно он заложил экспериментальный фундамент всего этого направления еще в начале 2010-х годов (Phys. Rev. Lett. 104, 200802б 2010; 114, 253001, 2015).

П. Б.: Что важно здесь понимать? Что китайские и венские ядерные часы, сделанные на кристалле фторида кальция, не обогнали по точности строницевые атомные часы, они пока на три порядка хуже, но сама система — на ядерном, а не электронном переходе — уже работает. Они продемонстрировали физический принцип и возможность. Что открывает дорогу и для второго варианта.

Е. Т.: У «кристаллического» подхода есть интересный вариант для развития. Это гамма-лазер оптического диапазона, предложенный нами в 2011 году (Phys. Rev. Lett. 106, 162501, 2011). Конструктивно и идеологически он очень близок к варианту часов на кристалле с большой шириной запрещенной зоны. Это будет первый лазер на ядерном переходе.

— Нас интересует как раз второй вариант конструкции с ионной ловушкой Пауля, которая есть в МИФИ, верно?

П. Б.: Да, ловушку Пауля — устройство, удерживающее заряженные частицы в вакууме с помощью комбинации постоянного и радиочастотного электрических полей, мы построили. Сейчас делаем систему для лазерного охлаждения ионов тория в ловушке Пауля линейной конфигурации. И у нас, кстати, есть своя технология изготовления лазеров для спектроскопии ядерных переходов. Она базируется на тех результатах, которые были получены еще Николаем Басовым на экситонах в криокристаллах.

По факту гонка за время еще не проиграна. Но за рубежом — порядка сотни активно работающих специалистов и практически неограниченное финансирование. И, кстати, на момент, когда у них выходит публикация о каком-то эксперименте, следующий этап уже, как правило, тоже сделан.

Слава Богу, что есть люди с государственным мышлением. Академики Александр Михайлович Сергеев и Николай Валентинович Завьялов (Национальный центр физики и математики в Сарове) взяли на себя проблему роста кристаллов. Лазеры создаст Институт прикладной физики в Нижнем Новгороде, мы в МИФИ занимаемся ионами в ловушке и готовим ториевую среду (идеальную среду для опроса ядерного перехода). Дело сдвинулось.

— Сколько денег еще надо?

П. Б.: Нужны еще система накачки, то есть фемтосекундная гребенка (24 млн руб.), и опрашивающий лазер (около 2 млн долларов).

— Пару яхт конфисковать у кого-нибудь.

П. Б.: Нужны еще кадры, это раз. А два — в мире сейчас появились кристаллы, которые позволяют вам получать лазерное излучение для спектроскопии тория. Они позволяют генерировать нужную длину волны (публикации вышли месяц назад). Эти кристаллы есть в США и в Китае, но нам их, конечно, не продадут. Хотя технология их получения разработана в России в конце 1990-х — начале 2000-х в Институте физики им. Л. В. Керенского Сибирского отделения РАН и Красноярского научного центра СО РАН.

Фемтосекундные гребенки производят в Троицке (гребенка — это лазерное излучение, у которого много полос, такая частотная «расческа»). И если у вас есть кристалл, то вы с его помощью можете такую же гребенку получить в нужном диапазоне длин волн для настройки его на ториевый ядерный переход. И как только вы один из «зубчиков» этой гребенки привязываете к ядерному переходу, то у вас появляются ядерные часы. Вот если иметь в виду, что у нас есть такие кристаллы, вопрос создания ядерных часов на тории — это года два. Как сделать — уже понятно. Вопрос: нужно ли? Это вопрос к стране.

— До какого порядка нам можно уточнять время?

П. Б.: Идет гонка между атомными часами за повышение точности, за переход к 10-19. Но как нам говорили метрологи, после отметки 10-19 в атомных часах возникают проблемы совершенно нового теоретического уровня, которые еще даже не осознаны. А в ядерных часах этих проблем нет, поэтому есть надежда, что именно они позволят сделать качественный скачок на один-два порядка по точности без уж очень больших сложностей.

Е. Т.: Есть еще одна важная особенность ядерного перехода в тории-229. Поскольку он попадает в оптический диапазон, им можно управлять. В 2018 году мы показали, что, манипулируя граничными условиями, можно менять период полураспада изомера тория-229 в широких пределах (Phys. Rev. Lett. 120, 122501, 2018): можно тормозить ядерный переход, увеличивая время жизни и уменьшая ширину состояния еще на один-два порядка. Это прямое следствие относительно большой длины волны — 148 нм. Для таких длин волн существует экспериментальная техника. А это открывает путь к дальнейшему увеличению точности до совершенно немыслимых в настоящее время значений.

Беседовала Ксения Ерохина