Самые маленькие атомные часы — азот в углеродной клетке

Современная система геопозиционирования GPS, разработанная военными США, позволяет транспортным средствам, гаджетам и их владельцам ориентироваться во времени и в пространстве. Система передает данные с завидной точностью — примерно 1 сигнал за 100 наносекунд. Эти сигналы необходимы для точной навигации. Зная скорость распространения радиоволн, можно рассчитать собственное местоположение с ошибкой в несколько метров. Но системы геопозиционирования (GPS, ГЛОНАСС и другие) не могут решить все проблемы со временем. Дело в том, что сами спутники такой системы «узнают» время по атомным часам, которые очень точны. Тем не менее, может дать сбой сам сигнал — из-за влияния злоумышленников или же природных факторов (солнечный шторм или даже простое отражение радиосигнала от зданий). Но что, если атомные часы встроить в GPS-приемник? Это не досужие размышления, а реальный проект, описание которого опубликовано в авторитетном издании Physical Review Letters. Такие мобильные атомные часы, как считают авторы исследования, действительно возможны. Также ученые надеются вскоре создать подобный «механизм». Сердцем и функциональным центром любых атомных часов является емкость с откаченным воздухом и «облаком» парообразного металла, обычно это цезий. Атомы резонируют с определенной частотой, которую фиксируют при помощи приборов. При этом атомы цезия «равнодушны» к физическому воздействию на часы, к вибрациям и прочим факторам, к которым очень чувствительны, например, наручные часы. Габариты таких систем очень разные. Но есть уже атомные часы, размер которых не превышает размер небольшого чемодана. А в 2004 году появились еще более миниатюрные системы, разработанные учеными National Institute of Standards and Technology. Они смогли добиться уменьшения размера атомных часов до габаритов одного чипа. Такие системы применяются в ряде направлений науки и техники, включая военное дело и подводную навигацию. Но, к сожалению, миниатюризация очень сильно влияет на цену. Чем меньше атомные часы, тем они дороже. Дело в том, что производить такие системы крайне сложно. В общем, вряд ли можно ожидать появления атомных часов такого типа в ноутбуках или телефонах. Если даже и появятся, то устройства будут стоить очень дорого. Выходом из такой ситуации может быть альтернативный вариант создания атомных часов, предложенный в 2008 году Эндрю Бриггсом и Аржангом Ардаваном из Оксфордского университета. Ученые предложили забыть о вакууме и металлическом паре, и просто закрыть один-единственный атом азота в углеродной клетки. Клетка эта — эндоэдральный фуллерен. Эндоэдральные фуллерены — молекулы фуллеренов, в клетку которых заключены один или несколько атомов или молекул. Один из наиболее подходящих для целей экспериментаторов фуллеренов — N@C60. Это атом азота внутри клетки из 60 атомов углерода. Эта структура напоминает футбольный мяч. Атом азота, фактически, свободно перемещается в этой клетке, сохраняя свои свойства. Кстати, ученые уже создавали аналогичные структуры с гелием и неоном. Но, как оказалось, именно атом азота в своей «клетке» идеально подходит для создания миниатюрных атомных часов. Примерно так выглядит молекула азотного фуллерена. Атом азота внутри углеродной клетки, сформированной 60 атомами углерода Здесь есть интересный нюанс — N@C60 это молекула, которая не должна существовать, поскольку реактивная способность атома азота очень высокая. Для создания сложной структуры такого типа требуются особые условия, которые вполне можно назвать экстремальными. Дело в том, что вдавить атом азота в углеродную структуру примерно то же самое, что и заставить воду из крана течь вверх. Речь идет о термодинамической особенности такой реакции. Но как только структура сформирована, она сразу становится стабильной, поскольку углерод изолирует и стабилизирует атом азота.

Таким образом, получившийся продукт можно хранить без особых проблем. В лаборатории Оксфордского университета нашли способ производить азотные фуллерены если не массово, то достаточно быстро. Здесь используют метод, который называется «ионная имплантация». Фуллерен нагревается до температуры испарения в вакуумной емкости, после чего они осаждаются на подложке. Образуется тонкая пленка C60. Пока эта пленка растет, ее бомбардируют атомами азота. Некоторые из них застревают в пленке, формируя желаемую структуру. Правда, производительность очень низкая: молекула «азотного фуллерена» образуется 1 раз на 10000 случаев. После того, как процедура завершена, необходимо выделить N@C60. Проблема в том, что химические свойства C60 и N@C60 практически идентичны. Тем не менее, различия все же есть. Это, во-первых, молекулярный вес, во-вторых, поляризуемость. Эти два отличия делают возможным экстракцию азотного фуллерена при помощи способа, получившего название жидкостная хроматография высокого давления (HPLC). При обычной хроматографии вещества, имеющие различные химические характеристики, отделяются друг от друга, проходя, например, по волокнам специальной бумаги. В случае хроматографии высокого давления принцип тот же, но вещество прогоняется по «разделителю» под давлением. В случае с разделением азотного фуллерена операцию нужно провести множество раз, чтобы отделить C60 от N@C60. Так а что с атомными часами? В этом случае используется генератор, который излучает радиосигнал, частота которого близка к показателю поглощения радиосигнала азотом. Этот сигнал передается по антенне в емкость, где находятся молекулы азотного фуллерена. Это может быть порошок или раствор. Если осциллятор правильно настроен, радиосигнал поглощается. Если нет, то сигнал проходит через раствор/порошок. Используя специальную систему настройки с обратной связью, ученые добились автоматической подгонки сигнала под необходимые показатели. Все это может использоваться для создания атомных часов. Сейчас основная задача, которая стоит перед учеными — создание миниатюрного чипа на основе молекулы фуллерена. Такая система будет лишена оптических элементов, которые обычно используются в атомных часах. Также не требуется поддержание вакуума. Такие системы будут миниатюрными и энергоэффективными. Они также смогут заменить кварцевые генераторы, используемые в современных электронных устройствах для отслеживания времени. Раствор фуллеренов в колбе По мнению создателей этой технологии, способов ее применения очень много. Портативные сверхточные часы нужны всем — создателям электронных устройств, военным, ученым, врачам. Что касается системы GPS, то сигнал ее можно будет ловить даже в помещениях. Этому будет способствовать размещение атомных часов внутри самого электронного устройства, приемника. Сигнал GPS очень сложно будет заглушить — сейчас сделать это достаточно просто. Даже, если спутниковая сеть будет частично повреждена (выйдут из строя некоторые спутники), GPS -приемники на Земле со встроенными атомными часами будут работать. Кроме того, можно будет создавать миниатюрные системы геопозиционирования для транспортных средств, таможенной службы, почтовых сервисов. Посылки и оборудование можно будет отслеживать без всяких проблем, даже во время прохождения таких систем через тоннели. Конечно, до создания коммерческой системы еще далеко — ученым нужно заинтересовать компании своим изобретением. Кстати, стоит азотный фуллерен всего ничего — $266 млн за один грамм вещества. Эндоэдральный фуллерен, фактически, стал самым дорогим веществом на Земле, уступая лишь антивеществу (получение которого в сколь-нибудь значимых количествах пока что наладить невозможно). По некоторым подсчетам, 1 грамм антивещества обойдется в 48 трлн долларов. Но это в случае, если будет найден практичный способ хранения антиматерии.