Сонячні навіси виробляють чисту енергію і питну воду
7 Грудня , 2017
Nissan протестує безпілотне таксі в Японії в 2018 році
7 Грудня , 2017

Атом азоту у вуглецевій оболонці – основа найменшого атомного годинника

Основою всіх сучасних атомних годинників є вакуумна камера, в якій “плаває” хмара з атомів випаруваного металу, найчастіше цезію. Ця хмара освітлюється світлом лазера, який поставляє кожному атому суто певну кількість енергії, в результаті чого електрони атомів починають коливатись, переходячи в збуджений енергетичний стан і повертаючись назад. Однак, якщо енергія фотонів світла зсувається в будь-яку сторону навіть на незначну величину, це призводить до зсуву частоти коливань атомів від точки резонансу, ефективність поглинання світла і, відповідно, ефективність роботи годинника різко падає.
У 2004 році дослідникам з американського Національного інституту стандартів і технологій вдалось зменшити розміри атомного годинника до пристрою, висотою лише в декілька міліметрів. Зараз такі атомні годинники на чіпі використовуються досить широко в комунікаційних технологіях, у навігації і т. п. Однак, споживачам таких годинників доводиться в прямому сенсі платити дуже високу ціну за мініатюризацію. Адже в малогабаритних атомних годинниках використаний ряд технологій, що дозволяють усунути вплив стінок вакуумної камери на атоми металу, вплив малого розміру камери на стабільність частоти коливань, витоку енергії від нагрівача, який підтримує концентрацію атомів і багато іншого. В результаті чого мініатюрні атомні годинники ще довго не будуть тією річчю, яку можна включити до складу споживчої електроніки.
Однак, Ендрю Бріггс (Andrew Briggs) і Аржанг Ардеван (Arzhang Ardavan), вчені з Оксфордсокого університету, ще в 2008 році запропонували альтернативний варіант створення крихітного атомного годинника. Замість того, щоб для утримання атомів використовувати спеціальну пастку у вакуумній камері, вони запропонували використовувати природну пастку, молекули фулерену C60, сферичну молекулу, що складається з 60 атомів вуглецю.
Атом чи молекула, поміщені всередині вуглецевої оболонки, не контактують з цією оболонкою і захищаються нею досить добре від будь-яких зовнішніх чинників. При цьому, фізичні та хімічні властивості молекули фулерену з поміщеним в неї “чужорідним” атомом, практично не відрізняються від добре відомих властивостей чистої молекули.
Молекула N@C60 #2
Згідно з результатами останніх досліджень, ідеальним варіантом для створення крихітного атомного годинника є атом азоту, розміщений всередині фуллеренової кулі, N@C60. Молекула цієї сполуки, з урахуванням хімічної активності азоту, не повинна існувати, однак, існує кілька способів синтезу таких молекул, і головним досягненням оксфордських дослідників є розробка такого методу, заснованого на технології іонної імплантації, який працює в реальності. У процесі синтезу на одну молекулу N@C60 виходить близько 10 тисяч молекул порожнього фулерену C60 і основна складність полягає в тому, що фізичні і хімічні властивості молекул обох типів практично ідентичні. Другим досягненням є технологія сортування, яка дозволяє відокремити порожні молекули фулерену від молекул N@C60, які після цього можна зібрати і використовувати за призначенням.
Атомний годинник представляє собою безліч молекул N@C60, впорядкованих у вигляді матриці, до яких підводиться радіосигнал, з частотою, близькою до частоти поглинання атома азоту. Якщо частота генератора знаходиться в допустимих межах, то молекули N@C60 поглинають енергію, що реєструється за допомогою спеціального датчика. При відхиленні частоти генератора або при зміщення резонансної частоти атомів азоту кількість поглиненої енергії знижується, вступає в дію зворотний зв’язок і частота задаючого генератора коригується в потрібну сторону. Відміткою часу в даному випадку є тривалість циклу корекції частоти задаючого генератора.
Час, коли атомний годинник на основі молекул N@C60 може бути включений в кристал електронного чіпа, повинен ще тільки настати. Проте, в тому, що він настане, сумніватись не доводиться, адже робота такого годинника повністю заснована на електронних компонентах, в такому годиннику відсутні оптичні компоненти, які є необхідним атрибутом атомних годинників будь-яких інших типів. І, потенційно, такі атомні годинники зможуть у майбутньому стати заміною кварцевих генераторів, що використовуються практично в будь-якому електронному пристрої.
І на закінчення слід зазначити, що оксфордські вчені найближчим часом збираються виготовити перший дослідний зразок атомного годинника, основою якого стануть молекули N@C60.

Джерело

LEU
LEU

Залишити відповідь

Увійти за допомогою: