• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Студенты Вышки научатся получать ультрахолод

Магистранты новой программы «Материалы. Приборы. Нанотехнологии» ВШЭ смогут оказаться в самом холодном месте России — в Институте прикладной физики РАН.Подробнее о современных технологиях получения ультрахолода и его применении в спутниковых системах навигации, а также о создании самых точных часов в мире рассказывает член-корреспондент РАН, ведущий научный сотрудник Института прикладной физики РАН Андрей Турлапов, который прочтет в Вышке несколько вводных лекций по лазерному охлаждению вещества и по физике низких температур.

Немного истории

Исследования по охлаждению газа атомов при помощи лазеров начали проводиться еще в Советском Союзе, первые важнейшие результаты в этом направлении были получены в городе Троицке Московской области. Но потом, в конце 1980-х,  советских ученых обогнали американские и европейские коллеги. Сейчас российские специалисты вновь начали выходить в лидеры в этой области. В лаборатории Института прикладной физики РАН Андрею Турлапову и его коллегам удалось добиться существенных результатов. Именно там, на 3-м этаже ИПФ РАН, достигается температура около 10 нанокельвинов (нК), это где-то минус 273 градуса по Цельсию. Там же впервые в мире был получен двумерный газ атомов-фермионов, которые могут двигаться лишь в плоскости, а после этого ферми-газ был преобразован в бозе-конденсат двухатомных молекул. Приготовленный двумерный ферми-газ атомов может стать платформой для изучения новых фазовых переходов. 

Самое главное для охлаждения вещества — это лазеры. Великолепные лазеры делаются в Новосибирске и Троицке, также мы используем часть оборудования из Америки.


Охлаждение и лазеры

Охлаждение вещества при помощи лазеров проходит в два этапа. Первый — охлаждение видимым светом, в результате которого получается облако холодных атомов, которое как бы «левитирует» в вакуумной камере, его легко можно различить невооруженным глазом. Для второй стадии охлаждения необходимы мощнейшие лазеры, примерно того типа, что используются на заводах для резки стали, эти лазеры могут охладить газ атомов до температур порядка 10 нК ниже нуля, при которой вещество удерживается в фокусе лазерного излучения, но становится уже неразличимым для человеческого глаза. В результате охлаждения получается облако газа, имеющее температуру около 10 нК и пленённое в оптической дипольной ловушке, образованной фокусом лазерного луча. Также применение дипольной ловушки позволяет сделать конструкцию независимой от наличия или отсутствия гравитации.


Охлаждение и измерение времени

Лазерное охлаждение вещества – актуальное и перспективное направление -  именно благодаря низким температурам, например, можно получить максимально точное время. Секунда определена через частоту перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Работу часовнужно сравнивать с частотой перехода этого атома, чем дольше производить это сравнение, тем точнее будут часы. Уточнение: атом нужен невозмущенный, он должен быть в вакууме, т.е. нужен газ атомов, и если газ горячий, то из вашей области сравнения атом может очень быстро улететь, а если атомы холодные – у них очень маленькая тепловая скорость, порядка одного миллиметра в секунду. То есть они движутся очень медленно и от вас не улетают, вы можете сравнивать свои часы с этими атомами достаточно долго, порядка секунды – и это ведет к повышению точности.


Атомные часы и навигация

Самое важное применение атомных часов – спутниковые системы навигации. Сердце системы ГЛОНАСС, сердце системы GPS, это — часы на газе ультрахолодных атомов. Часы расположены в центрах управления на Земле. Это работает следующим образом: спутник посылает сигнал на ваш телефон, вы знаете скорость света, и, если вы знаете время распространения сигнала от спутника до вас, то вы знаете и расстояние до спутника. Дальше вы решаете задачу, знаете расстояние до известных объектов, можете узнать свою точку на Земле. Но если у спутника часы по какой-то причине сбились, и он послал сигнал не вовремя, вам покажется, что вы на неправильном расстоянии от спутника, и значит, ваше положение на Земле будет определено неверно. 


Точные часы на ультрахолодных атомах

Разумеется, для того чтобы система спутникового позиционирования работала еще точнее и стабильнее, нужно, чтобы и на самих спутниках были уже часы будущего – часы на ультрахолодных атомах. «Подобные часы стоят на центральном узле управления ГЛОНАСС, но этого недостаточно, поскольку спутникам нужно подстраивать свои менее точные часы по этим задающим часам. Например, у американцев в системе GPS наземные станции корректировки с точными часами стоят по всему миру. Наши возможности скромнее – открытие подобных станций связано с политическими рисками. На данный момент в других странах действует лишь одна станция дифференциальной коррекции (с их помощью возможно получить точный сигнал) – в Бразилии. Как решить эту проблему? Нужно сделать часы на ультрахолодных атомах, которые российские ученые поставят на спутник, и тогда наша страна будет независима от станций коррекции».

Но это сложно. Так, например, Европейский союз планировал еще в 2003 году запустить часы на ультрахолодных атомах на спутнике - не в качестве части навигационной системы, а просто попробовать свои силы в этом направлении. Но до сих пор этот проект не выполнен, вот уже 14 лет пуск сдвигается, поскольку это сложная научная и инженерная проблема. Хочется верить, что нашей стране это будет под силу. Студенты МИЭМа, надеюсь, смогут приложить свои силы в этом направлении.

Среди потребителей точных часов – крупные интернет компании. Для того, чтобы передавать большие объемы данных, на приемном узле и на передающем должны стоять точные часы - чем они точнее, тем более плотный трафик идет по сети, потому что прием передачи информации должен быть очень хорошо синхронизован. Сейчас эти технологии применяют для работы с большими данными (Big Data).


Ультрахолодный газ атомов и поиск полезных ископаемых

При помощи ультрахолодного газа атомов также можно делать гироскопы. Гироскопы (пока без ультрахолодных атомов) используют в навигации, например, на каждом самолете и подводной лодке есть такой прибор. Также, с помощью ультрахолодных атомов можно измерять ускорение свободного падения. С одной стороны, среднее значение ускорения свободного падения известно: 9,8 м/с2, с другой стороны, оно разное в разных точках Земли. Например, в тех местах, где есть залежи полезных ископаемых, оно отличается от среднего показателя, потому что у нефти и газа плотность меньше, чем у окружающей породы. И возможное будущее применение очень точных гравиметров, это — поиск полезных ископаемых.

 

В авангарде и догоняем

Говоря о точных часах более широко, не только в контексте ультрахолодных атомов, стоит отметить: сейчас наша страна лидирует на рынках водородных мазеров – это наиточнейшие часы, изготавливаемые промышленно. В СССР первые работы по созданию водородного мазера начались в начале 1960-х годов, и уже с 1970-х прошлого столетия наша страна стала производить их промышленно. Изготовленные в России часы на основе мазеров популярны во всём мире и занимают в своём сегменте около 80% рынка. А вот в том, что делается в лаборатории, следующее поколение - часы на ультрахолодных атомах. Здесь наша страна отстает, но есть надежда, что нагоним и перегоним.

Самые точные лабораторные часы сейчас делают в Японии и Америке, эти страны вышли в мировые лидеры в этом сегменте, потому что вложили много сил, времени и средств в развитие этого научного направления, нашли эффективный способ перевести его в технологию. Наша страна уже была лидером в этой отрасли и теперь нам надо вернуть былое величие, студенты-магистранты ВШЭ тоже могут принять участие в этом деле. Хочу отметить, что у студентов есть возможность проходить стажировку не только у нас в Нижнем Новгороде, но и в зарубежных лабораториях у моих коллег. У меня уже есть подобный опыт. Например, мой студент-четверокурсник вскоре отправится на летнюю школу в Инсбрук, в институт, руководимый Рудольфом Гриммом, который сам в 80-х стажировался в СССР. Другой молодой коллега вскоре поедет на стажировку в Париж, в коллектив, ведомый Жаном Далибаром и нобелевским лауреатом Клодом Коэн-Тэннуджи. В моей лаборатории этим летом стажируются молодые ученые из различных российских ВУЗов. И я надеюсь, что студенты ВШЭ также смогут получить такой опыт.