Все мы привыкли, что навигация в телефоне работает как по волшебству. Но стоит заехать в длинный тоннель, оказаться в густом лесу или спуститься в метро — и карта замирает, а значок местоположения начинает нервно прыгать. Это потому, что сигналы GPS и ГЛОНАСС плохо проникают сквозь землю, воду и бетон. А для подводных лодок, ракет и космических аппаратов такие «слепые зоны» — вообще катастрофа. Недавно китайские физики из Синьцзянского университета сделали неожиданный шаг к решению этой проблемы, вырастив странный кристалл, который обещает перевернуть наши представления о точности времени.
Почему обычные атомные часы хороши, но недостаточно хороши
Современные атомные часы — это чудо инженерной мысли. Они смотрят на колебания электронов в атомах цезия или рубидия, и эти колебания невероятно стабильны. Лучшие образцы ошибаются всего на секунду за сотни миллионов лет. Однако есть нюанс: электроны очень чувствительны к температуре, вибрациям и магнитным полям. Если часы трясти в ракете или нагреть на солнце, их точность падает. Именно поэтому спутники GPS несут на борту целые системы термостабилизации и магнитной защиты — и всё равно время от времени их приходится калибровать с Земли.
Но главная беда в другом: GPS-сигнал легко заглушить или подделать. Во время военных конфликтов, например, в зоне спецоперации на Украине, обе стороны активно используют переносные глушилки GPS. А под водой сигнал не проходит вообще. Подводная лодка, погрузившись на глубину, теряет связь со спутниками и вынуждена полагаться на собственные гироскопы и акселерометры — так называемую инерциальную навигацию. Проблема в том, что даже лучшие инерциальные системы за сутки накапливают ошибку в несколько километров. Чтобы её обнулить, субмарине нужно всплыть и поймать GPS — а это значит, что её могут обнаружить.
Именно поэтому военные и физики давно мечтают о часах, которые смотрели бы не на электронную оболочку, а на атомное ядро. Ядро гораздо компактнее и лучше защищено от внешних помех. Но до недавнего времени считалось, что заставить ядро стабильно «тикать» невозможно — для этого нужен лазер со сверхкороткой длиной волны, который никто не умел делать. «Измерение требует ультрафиолетового лазера с длиной волны около 148,3 нанометра, который чрезвычайно трудно генерировать», — объясняют специалисты, знакомые с этой технологией. И тут на сцену выходит торий-229.
Торий-229 и кристалл, побивший тридцатилетний рекорд
Среди всех известных атомных ядер торий-229 — настоящий уникум. У него есть возбуждённое состояние с аномально низкой энергией, всего в несколько электронвольт. Это в десятки тысяч раз меньше, чем у обычных ядер. Физики сравнивают это с разницей между взрывом петарды и ударом молнии. Такую низкую энергию можно «раскачать» ультрафиолетовым лазером, а не чудовищным гамма-излучением. Теоретически ядерные часы на тории-229 были бы в 10–1000 раз точнее лучших атомных. Но на практике получить нужное ультрафиолетовое излучение оказалось адски сложно.
Долгие годы рекорд принадлежал кристаллу фторбората калия-бериллия, созданному ещё в 1990-х годах. Он позволял генерировать ультрафиолет с длиной волны до 150 нанометров. Это было близко к заветным 148,3 нм, но недостаточно близко. И вот недавно группа профессора Пан Шили из Синьцзянского технологического института физики и химии сообщила о прорыве. Им удалось синтезировать новый кристалл на основе фторированного бората, который преобразует лазерный свет в ультрафиолет с длиной волны 145,2 нанометра. Это не просто улучшение — это новый рекорд, который держится с 1990-х годов.
«Это фторированное боратное соединение может поднять лазерный свет до рекордной длины волны 145,2 нанометра, удовлетворяя ключевым требованиям для сверхточных портативных часов, разрабатываемых в США, Китае и других странах», — с гордостью заявила команда Пан Шили в статье для журнала Advanced Materials. Обратите внимание: они не просто сделали кристалл, а сделали его пригодным для портативных приборов. Это не лабораторная громоздкая установка, а потенциально компактный компонент, который можно встроить в ракету или подводный аппарат. Конечно, сам кристалл — это только полдела. Но без него все разговоры о ядерных часах оставались бы чистой теорией.
Где это пригодится и сколько тория у нас вообще есть
Даже имея идеальный кристалл, нельзя забывать про сырьё. Торий-229 — это не уголь, его не накопаешь экскаватором. Он получается как побочный продукт распада других радиоактивных элементов, и во всём мире доступно всего около 40 граммов этого изотопа. Представьте себе: на всю планету — чуть больше напёрстка. Каждый миллиграмм на вес золота. Поэтому, когда учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством Эрика Хадсона нашли способ использовать для создания ядерных часов всего 1 миллиграмм тория-229 вместо целого кристалла, это стало отдельной сенсацией.
«Мы проделали всю работу по созданию кристаллов, потому что думали, что кристалл должен быть прозрачным, чтобы лазерный свет достиг ядер тория. Кристаллы действительно сложно изготавливать... Наименьшее количество тория, которое мы можем использовать, составляет 1 миллиграмм, а это много, когда во всем мире доступно всего около 40 граммов», — объяснил Рики Элуэлл, первый автор того исследования. Они применили старый ювелирный трюк — гальваническое осаждение. То есть вырастили тончайшую плёнку из тория на поверхности, как золочение. Это резко снижает расход драгоценного изотопа и делает технологию экономически реалистичной.
Так где же применят ядерные часы, если их всё-таки соберут? Прежде всего — на подводных лодках. Представьте, что субмарина может месяцами не всплывать, имея навигацию с ошибкой в сантиметры. Или межпланетный зонд, летящий к Юпитеру, который не может получать сигналы с Земли в реальном времени из-за огромной задержки. Или крылатая ракета, которую пытаются заглушить средствами РЭБ — ядерные часы на тории-229 просто не заметят помех, потому что они «смотрят» внутрь ядра, а не наружу. «Часы на основе этой технологии позволят осуществлять навигацию без привычного варианта GPS», — пишут китайские государственные медиа, подчёркивая стратегическое значение разработки. Конечно, обычный смартфон такие часы не заменят — они слишком сложны и дороги. Но для военных и космических задач это настоящий прорыв, который стал на шаг ближе благодаря небольшому кристаллу из далёкого Синьцзяна.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
