Охлаждение отрицательных ионов до сверхнизких температур остаётся одной из сложнейших задач современной физики: энергия связи лишнего электрона настолько мала, что лазерное воздействие легко разрушает этот хрупкий баланс, но именно такие ультрахолодные анионы могут стать ключевыми элементами для квантовых компьютеров и сверхточных часов. Коллектив кафедры «Физико-технические проблемы квантовой метрологии» НИЯУ МИФИ получил грант в размере 100 млн рублей на реализацию проекта по лазерному охлаждению анионов тория-232. Как сообщили в университете, средства выделены в рамках программы «Приоритет-2030» на три года. Проект направлен на создание экспериментальной установки для прямого лазерного охлаждения анионов тория-232 в ловушке Пауля, что в перспективе может быть использовано для прецизионной спектроскопии, проверки теоретических расчётов для тяжёлых атомных систем и разработки новых подходов к квантовой метрологии.
Анионы — отрицательно заряженные ионы, у которых энергия связи избыточного электрона существенно меньше, чем у нейтральных атомов или положительных ионов. Именно это создаёт главную сложность для лазерного охлаждения: охлаждающие переходы лежат в инфракрасном диапазоне и обладают малой шириной, что требует высокой точности настройки. Однако получение ультрахолодных анионов открывает большие перспективы для квантовых вычислений и сенсорики.
Среди множества элементов анионы тория (Th⁻) считаются одними из наиболее перспективных кандидатов для такого охлаждения. Экспериментально установлено, что время жизни одного из ключевых возбуждённых состояний Th⁻ составляет всего 30 микросекунд — это в три раза короче предыдущих расчётов, что делает его крайне привлекательным для технологии. Кроме того, у изотопа тория-232 отсутствует сверхтонкая структура, что упрощает лазерную схему. Охлаждающий переход для аниона тория подтверждён экспериментально и отличается быстрым и практически замкнутым циклом охлаждения.
Исследователи планируют получить анионы тория методом лазерной абляции, подтвердить состав пучка с помощью масс-спектрометрии, загрузить и удерживать ионы в ловушке Пауля, уточнить спектральные параметры необходимых переходов и затем реализовать доплеровское охлаждение на переходе около 2428,4 нм. В перспективе команда рассчитывает перейти к охлаждению одиночного аниона или короткой цепочки анионов, что позволит использовать платформу для проверки теоретических расчётов тяжёлых атомных систем и разработки новых подходов к квантовой метрологии. Также рассматриваются варианты применения тория-232 как охлаждающего «термостата» для тория-229, который может быть использован в схемах сверхточных часов следующего поколения.
Ожидаемым результатом проекта станет новая экспериментальная платформа для работы с холодными отрицательными ионами. На первом этапе команда закупит, смонтирует и протестирует оборудование, получит анионы тория-232 и проведёт первичную масс-спектрометрию. На следующих этапах планируется загрузка и удержание анионов в ловушке, спектроскопия горячей плазмы и лазерное охлаждение облака анионов.
В проектную команду, которую возглавляет доктор физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой Пётр Борисюк, входят сотрудники, инженеры, аспиранты и студенты. Такой подход, как отметили в университете, позволяет одновременно развивать новую экспериментальную платформу и готовить специалистов для направлений квантовых технологий и высокоточной метрологии.
