Атом азота в углеродной оболочке - основа малейшего атомных часов - Лига Инженеров Украины

Основой всех современных атомных часов является вакуумная камера, в которой "плавает" облако атомов испаренного металла, чаще всего цезия. Это облако освещается светом лазера, который поставляет каждому атому сугубо определенное количество энергии, в результате чего электроны атомов начинают колебаться, переходя в возбужденное энергетическое состояние и возвращаясь обратно. Однако, если энергия фотонов света сдвигается в любую сторону даже на незначительную величину, это приводит к смещению частоты колебаний атомов от точки резонанса, эффективность поглощения света и, соответственно, эффективность работы часов резко падает.
В 2004 году исследователям из американского Национального института стандартов и технологий удалось уменьшить размеры атомных часов к устройству, высотой всего в несколько миллиметров. Сейчас такие атомные часы на чипе используются достаточно широко в коммуникационных технологиях, в навигации и т. П. Однако, потребителям таких часов приходится в прямом смысле платить очень высокую цену за миниатюризацию. Ведь в малогабаритных атомных часах использован ряд технологий, позволяющих устранить влияние стенок вакуумной камеры на атомы металла, влияние малого размера камеры на стабильность частоты колебаний, утечки энергии от нагревателя, который поддерживает концентрацию атомов и многое другое. В результате чего миниатюрные атомные часы еще долго не будут той вещью, которую можно включить в состав потребительской электроники.
Однако, Эндрю Бриггс (Andrew Briggs) и Аржанг Ардеван (Arzhang Ardavan), ученые из Оксфордсокого университета, еще в 2008 году предложили альтернативный вариант создания крошечного атомных часов. Вместо того, чтобы для содержания атомов использовать специальную ловушку в вакуумной камере, они предложили использовать естественную ловушку, молекулы фуллерена C60, сферическую молекулу, состоящую из 60 атомов углерода.
Атом или молекула, помещенные внутри углеродной оболочки, не контактируют с этой оболочкой и защищаются ней довольно хорошо от любых внешних факторов. При этом, физические и химические свойства молекулы фуллерена с помещенным в нее «чужеродным» атомом, практически не отличаются от хорошо известных свойств чистой молекулы.
Основой всех современных атомных часов является вакуумная камера, в которой плавает облако атомов испаренного металла, чаще всего цезия
Согласно результатам последних исследований, идеальным вариантом для создания крошечного атомных часов является атом азота, размещенный внутри фуллеренов шара, N @ C60. Молекула этого соединения, с учетом химической активности азота, не должна существовать, однако, существует несколько способов синтеза таких молекул, и главным достижением оксфордских исследователей является разработка такого метода, основанного на технологии ионной имплантации, который работает в реальности. В процессе синтеза на одну молекулу N @ C60 получается около 10 000 молекул пустого фуллерена C60 и основная сложность заключается в том, что физические и химические свойства молекул обоих типов практически идентичны. Вторым достижением является технология сортировки, которая позволяет отделить пустые молекулы фуллерена от молекул N @ C60, которые после этого можно собрать и использовать по назначению.
Атомные часы представляет собой множество молекул N @ C60, упорядоченных в виде матрицы, к которым подводится радиосигнал с частотой, близкой к частоте поглощения атома азота. Если частота генератора находится в допустимых пределах, то молекулы N @ C60 поглощают энергию, регистрируется с помощью специального датчика. При отклонении частоты генератора или при смещении резонансной частоты атомов азота количество поглощенной энергии снижается, вступает в действие обратная связь и частота задающего генератора корректируется в нужную сторону. Отметкой времени в данном случае является продолжительность цикла коррекции частоты задающего генератора.
Время, когда атомные часы на основе молекул N @ C60 может быть включен в кристалл электронного чипа, должен еще только наступить. Однако, в том, что он наступит, сомневаться не приходится, ведь работа таких часов полностью основана на электронных компонентах, в таких часах отсутствуют оптические компоненты, которые являются необходимым атрибутом атомных часов любых других типов. И, потенциально, такие атомные часы смогут в будущем стать заменой кварцевых генераторов, используемых практически в любом электронном устройстве.
И в заключение следует отметить, что оксфордские ученые в ближайшее время собираются изготовить первый опытный образец атомных часов, основой которого станут молекулы N @ C60.

источник