Холодные атомы и где они обитают

Недавно российские ученые разработали технологию, которая позволяет работать с атомами, охлаждёнными до сверхнизких температур, вблизи поверхности так называемого атомного чипа. Его можно использовать для создания высокоточных измерительных приборов — например, атомных часов, гравиметров и гироскопов. Так появился первый атомный чип в России. Над его созданием работала команда из Института спектроскопии РАН (ИСАН), НИУ ВШЭ и Московского физико-технического института (МФТИ). IQ.HSE поговорил со старшим научным сотрудником ИСАН, доцентом базовой кафедры Квантовой оптики и нанофотоники НИУ ВШЭ, кандидатом физико-математических наук Антоном Афанасьевым о том, какие возможности открывает использование атомных чипов на практике.

Антон Афанасьев,
доцент базовой кафедры квантовой
оптики и нанофотоники Института
спектроскопии РАН НИУ ВШЭ

— Расскажите, пожалуйста, о технологии атомного чипа? В чём её суть?

— Атомный чип — это одна платформ для работы с холодными атомами. Такие устройства позволяют получить ансамбли атомов, охлажденных до ультранизких температур, ниже одного микрокельвина (<10^-6 К). Столь низкие температуры требуются для создания новых приборов, обладающих высокой точностью измерений. (Для сравнения: методы лазерного охлаждения позволяют снижать температуры атомов примерно до десяти микрокельвинов).

В результате технология атомного чипа открывает новые возможности в создании квантовых сенсоров, основанных на атомной интерферометрии. Подобные сенсоры используются, например, для прецизионного (высокоточного) измерения ускорения свободного падения.

В любом интерферометре на точность измерения влияет интерференционная база. При измерении ускорения свободного падения с использованием атомного интерферометра такой базой является расстояние, которое атомы пролетают свободно, падая в гравитационном потенциале. В какой-то момент за счёт остаточной температуры они просто разлетаются, что ограничивает возможное время измерений. Чем ниже температура, тем меньше они разлетаются и тем большее расстояние они могут пролететь, что даёт возможность более точного измерения гравитационного поля.

Атомный чип позволяет создавать облака холодных атомов. Эту технологию чаще всего применяют в космосе при проведении фундаментальных исследований. Практически во всех экспериментах с холодными атомами на околоземной орбите используют атомный чип в качестве источника ультрахолодных атомов. Однако сейчас ведутся работы по созданию нового поколения квантовых сенсоров, которые будут работать на Земле и использовать технологию атомного чипа для прикладных задач.

Чип состоит из кремниевой пластинки, на которой сформированы микропровода. При пропускании через провода электрического тока вокруг чипа образуются магнитные поля. Они формируют в определённой точке пространства минимум магнитного поля, где могут быть локализованы атомы. Именно в таких магнитных ловушках учёные захватывают атомы и затем работают с ними. В частности это позволяет создавать и работать с конденсатом Бозе-Эйнштейна (пятого агрегатного состояния вещества). Температура атома связана с его кинетической энергией. Чтобы снизить скорость, нужно отнять энергию атома и таким образом его охладить. Это возможно при помощи специальной конфигурации лазерных полей вблизи чипа.

— Как давно эта технология появилась в мире?

— Сама концепция холодных атомов зародилась примерно в 1970-е годы прошлого века, когда уже были созданы лазеры и стало понятно, что с их помощью можно охлаждать атомы. Первый эксперимент, где было показано, что кинетическая энергия атома может меняться под воздействием лазерного излучения, был проведен в СССР в Институте спектроскопии РАН в конце 1970-х. Разработка теории во многом принадлежит Владилену Степановичу Летохову — учёному, внёсшему неоценимый вклад в развитие лазерной спектроскопии. К сожалению, несмотря на международное признание работ В.С. Летохова, Нобелевскую премию за разработку методов лазерного охлаждения получили иностранные коллеги.

С середины 1980-х — на фоне общих процессов в стране — вопрос разработки технологий охлаждения атомов отошёл на задний план. Сейчас в России небольшое количество коллективов учёных (8 экспериментальных групп), работающих с технологиями охлаждения атомов. В Германии, например, только в университетах можно насчитать по 5-7 групп, занимающихся холодными атомами.

Что касается непосредственно технологии атомного чипа, то она появилась в конце 1990-х — начале 2000-х. Очень много учёных во всём мире занимались и занимаются этой проблемой. Фактически атомный чип объединяет в себе технологии микроэлектроники и атомной оптики. Мы создаем специальные провода, посредством которых управляем магнитными полями, контролируя электрические токи, а те, в свою очередь, управляют холодными атомами.

— Как вы с коллегами пришли к разработке атомного чипа, что этому предшествовало?

— К началу нулевых, когда за рубежом уже занимались коммерциализацией разработок в области холодных атомов, в России мало кто работал над этой темой. Мы в Институте спектроскопии РАН постепенно пришли к проведению экспериментов с атомными чипами. Во многом это произошло благодаря Виктору Ивановичу Балыкину — он горел идеей проведения таких экспериментов в России. Изначально много времени ушло на обсуждение концепций, получение финансирования и т.п. В итоге мы смогли построить установку и сделать первый атомный чип в нашей стране. Говорю первый, потому что никто кроме нас в России этим не занимается.

— Расскажите, пожалуйста, подробнее, в каких сферах на практике используются атомные чипы?

— Атомные чипы активно применяются в фундаментальных экспериментах. Например на Международной космической станции (МКС) проводятся опыты по проверке принципа эквивалентности Эйнштейна. В них используются ультрахолодные атомы, которые получаются вблизи атомных чипов.

Технология атомного чипа применима для любых систем, которые могут работать на основе холодных атомов. В первую очередь её можно использовать для создания атомных часов. Обычно их используют как эталон времени. Так, в России в посёлке Менделеево рядом с Зеленоградом во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) создали атомные часы, которые задают время на всей территории России.

Мы сами думаем сейчас о разработке атомных компактных часов микроволнового диапазона. В перспективе их можно будет использовать на спутниках. Принцип работы таких часов основан на том, что генератор частоты должен постоянно поддерживать эталонную частоту. А её значение связано с атомным переходом рубидия под воздействием микроволнового излучения. Проверка правильности частоты осуществляется за счёт взаимодействия с облаком холодных атомов.

На самом деле атомные часы сейчас актуальны везде, не только в космосе, поскольку любые приборы так или иначе связаны с использованием времени. Возьмём самый простой пример — заказ пиццы. Чтобы курьер ориентировался, куда ему идти — необходима система навигации ГЛОНАСС/GPS — а без точных часов она работать не будет. Чем часы точнее, тем с большей точностью можно определить местоположение объекта. Поэтому часы приходится регулярно калибровать, чтобы курьер принёс пиццу именно вам, а не в соседний дом. Это целая проблема. Атомные чипы — один из вариантов её решения. Стоит отметить, что такая технология — достаточно естественная вещь, поскольку «секунда», как единица времени, определена Международным бюро мер и весов через определённый переход в атоме цезия.

В настоящее время в Международной системе единиц (СИ) принято следующее определение секунды: «одна секунда — это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного квантового состояния атома цезия-133 в покое при 0 К». Это определение было принято в 1967 году (уточнение относительно температуры и состояния покоя появилось в 1997 году).

Понятно, что дома нам хватает и маятниковых часов, но чтобы общество могло существовать, оно уже давно использует атомные часы. И всегда стоит вопрос — как получить ещё более точные приборы для измерения времени. Над этим учёные работают непрерывно с 1940-х годов. И вот атомные чипы как раз позволяют разрабатывать более точные часы.

— Кроме атомных часов, где ещё в перспективе может быть применима ваша разработка?

— Есть идея сделать собственный гравиметр — прибор, измеряющий ускорение свободного падения, вызванного гравитационным полем. Такие работы ведутся за рубежом, я рассказывал он их ранее, но их не так много, особенно если говорить о создании гравиметров именно с использованием атомных чипов.

— Какие возможности открывает создание такого прибора?

— Тут стоит сказать, что гравитационное поле неоднородно. Школьникам традиционно на уроках физики рассказывают, что ускорение свободного падения составляет 9,8 м/с. На самом деле это не так. Даже на территории Московской области оно неоднородное.

Прецизионное измерение ускорения свободного падения крайне необходимо. Например, с помощью таких измерений можно точнее определять расположение полезных ископаемых, а также предсказывать землетрясения. Это особенно актуально после случившихся недавно сейсмических катастроф в Турции и Сирии. Гравиметр, использующий холодные атомы, будет обладать более высокой точностью, чем классический подобный прибор.

— Расскажите, пожалуйста, подробнее об использовании атомных чипов в системах навигации?

— На атомных чипах можно построить акселерометр — прибор измеряющий ускорение, а также гироскоп — устройство, реагирующее на изменение углов ориентации объекта, на котором оно установлено. Часы, акселерометр и гироскоп — это три необходимых составляющих для создания инерциальной системы навигации для определения точного местоположения объекта, скажем, космического корабля. В космосе нет никакой спутниковой системы навигации. Чтобы отслеживать траекторию движения корабля, необходим акселерометр, причём высокоточный. Холодные атомы — одна из технологий-кандидатов, которая может использоваться в создании таких высокоточных систем.

— Насколько сложной является задача по созданию подобных приборов с использованием атомных чипов?

— Атомные часы — самое простое, далее по уровню сложности — акселерометр и гироскоп. Гироскоп сделать сложнее всего. В настоящее время ведутся работы по поиску оптимальных схем использования атомной интерферометрии для создания таких приборов и достижения точностей, превосходящих существующие аналоги, работающие на «классических» принципах.

— Существует мнение, что атомные чипы можно использовать во взаимодействии с тёмной энергии — насколько это реальная перспектива? О чем здесь идёт речь?

— Существуют различные версии, объясняющие природу тёмной энергии, также ведутся дискуссии относительно факта её существования вообще. По движению галактик можно предполагать, что существует какая-то ещё дополнительная сила, которая на эти галактики воздействует.

В настоящее время рассматриваются проекты размещения атомных систем на чипах на спутниках. Атомы должны использоваться для детектирования прохождения гравитационных волн через систему разнесённых в пространстве спутников. По картине интерференции можно будет исследовать не только гравитационные волны, но и взаимодействие с тёмной энергией. Международное сообщество планирует приступить к реализации таких проектов в середине 2030-х годов.

Если говорить простыми словами, то гипотетически приборы на холодных атомах, наряду с другими инструментами, могут позволить увидеть, что есть ещё какая-то энергия, помимо той, что подлежит измерению.

— Каким образом разработки в области атомных чипов могут быть внедрены в практику? У вас с коллегами есть идеи относительно создания часов на атомных чипах и приборов для навигационных систем. Кто должен заниматься реализацией этих идей?

— Стоит отметить, что мы занимаемся фундаментальной наукой, но сами приборы создать не можем. На данный момент мы взаимодействуем на эту тему с коллегами из ВНИИФТРИ — головной организации в РФ по созданию и применению стандартов частоты и времени. Пока идёт обсуждение потенциальных возможностей. Во ВНИИФТРИ есть свои лаборатории, которые занимаются холодными атомами. Они создают российскую шкалу времени и участвуют в создании международной шкалы, и также создают приборы, например, классические гравиметры.

В России есть несколько программ развития квантовых технологий. Программы, связанные с квантовыми вычислителями, построением квантовых компьютеров и квантовой криптографией, запущены и работают. На их реализацию выделяются средства. Создание систем, которыми занимаемся мы, попадает под программу квантовой сенсорики. Она пока не запущена. На данный момент у нас есть фундаментальные наработки, мы можем передать накопленный опыт в другие организации, а затем совместно с ними, при условии запуска правительственной программы по квантовой сенсорике, создавать необходимы для нашей страны приборы.
IQ

Автор текста: Селина Марина Владимировна, 21 апреля, 2023 г.