|
Американские
физики из Национального института стандартов и технологий создали
устройство, которое можно использовать как самые точные часы в мире:
за время существования Вселенной их показания изменились бы на одну
секунду. Для этого ученые поймали в ловушку и затормозили лазерным
лучом один-единственный ион ртути. Он и стал наиболее точным
эталоном. Наши физики из Института спектроскопии РАН в Троицке
научились останавливать атомы светом еще в 1979 году, а сейчас
вплотную подошли к созданию атомной оптики.
Символ
цивилизации конца ХХ века - сияющие экраны телевизоров и мониторов.
Это электронная оптика. Возможно, в XXI веке таким символом станут
устройства, работающие на другом принципе - оптике атомных пучков.
Так считает один из ее создателей доктор физико-математических наук
Виктор БАЛЫКИН из Института спектроскопии РАН. Это научное
направление, возглавляемое доктором физико-математических наук
Владленом Летоховым, - естественное развитие результата, полученного
в 1979 году. Тогда троицкие физики первыми в мире остановили пучок
летящих атомов лучом лазера.
Чтобы сделать атомный пучок, в
сосуде испаряют кусочек металла и получают газ. Через дырку атомы
металла вылетают из сосуда. Поскольку дырка очень маленькая, атомы
летят почти параллельно друг другу, и получается узкий пучок. Беда в
том, что скорость их весьма велика, сотни тысяч метров в секунду,
поэтому работать с пучком трудно.
Но если направить
навстречу пучку луч лазера, атомы можно затормозить: они станут
поглощать фотоны света, терять свою скорость и почти
останавливаются. Потом такие заторможенные атомы запирают в ловушку,
сделанную из электромагнитного поля и лучей еще нескольких лазеров.
Получается небольшое светящееся облачко, которое рассасывается за
несколько минут. Хотя наши физики затормозили атомы еще в 1979 году,
Нобелевскую премию за разработку методов лазерного охлаждения и
удержания атомов дали только в 1997 году двум американцам и одному
французу.
Замедленные пучки могут послужить для добрых дел.
Прежде всего для изготовления микросхем нового поколения, элементы
которых в тысячу раз меньше, чем применяемые в нынешней оптической
технологии. В далекое будущее устремлен проект квантового
компьютера. Для его создания нужно уметь манипулировать с отдельными
атомами или ионами, а чтобы это можно было сделать, их следует
затормозить и рассадить по ловушкам. Ну а самое очевидное применение
- наиболее точный эталон времени.
Время, а точнее частоты
перехода электронов в атоме, - это единственное, что человек может
измерить наиболее точно. Измерение подавляющего большинства других
величин так или иначе связано с измерением времени. Поэтому чем
лучше эталон времени, тем точнее будут результаты измерения,
например, оборотов финансового рынка или расстояний в космосе.
Нетрудно подсчитать, что без эталона времени, дающего ошибку в одну
секунду за миллиарды лет, нельзя измерить расстояние до Марса с
точностью до одного метра.
Сейчас самые точные часы сделаны
на основе атомов цезия. Устроены они так: пучок атомов цезия
облучают радиоволнами микронного диапазона и находят резонансную
частоту, когда излучение начинает поглощаться. Эта частота и служит
сейчас квантовым эталоном времени: за одну секунду происходит 9 192
631 770 колебаний возбужденного атома. По этой частоте потом
градуируют всевозможные измерительные приборы.
Но точно
измерить основу эталона - колебания атомов не удается. Дело в том,
что атомы слегка различаются, например, скоростью своего движения.
Результаты измерения усредняются по их разнообразию, и возникает
ошибка измерения. В 1995 году она составляла одну секунду за 15
миллионов лет.
Западные физики в создании точного эталона
пошли другим путем. Они используют ионы. Дело в том, что эти
частицы, в отличие от атомов, обладают зарядом, поэтому
сконструировать для них надежную ловушку значительно проще. У одного
из авторов ловушек для ионов, нобелевского лауреата 1989 года Г.
Демельта, отдельные ионы и электроны жили в ловушках месяцами.
Ученый так любил своих пленников, что давал им имена. Но при работе
с ионами есть и неудобство - заряженные частицы взаимодействуют друг
с другом.
Поэтому в качестве эталона времени годится только
один-единственный ион. Например, в 1997 году британские физики
попытались сделать эталон из отдельного пойманного в ловушку иона
иттербия. Теперь американцы справились с более тяжелым элементом,
ртутью. С ним точность измерений будет больше. А наши физики
продолжают укрощать атомные пучки: создают лазерные и
электромагнитные линзы, диафрагмы, ловушки и прочие устройства
управления этими многообещающими объектами.
|