МИФИ получил 100 млн рублей на «заморозку» атомов тория

Среди задач, которые стоят сегодня перед современной квантовой физикой важное место занимает проблема охлаждения отрицательных ионов (анионов) – атомов, которые имеют избыточный отрицательный электрический заряд. Энергия связи этого заряда существенно меньше, чем для нейтральных атомов, а, тем более, ионов, что представляет вызов для специалистов, занимающихся лазерным охлаждением. Это связано с тем, что охлаждающие переходы для анионов лежат в области ближнего и дальнего инфракрасного диапазона, обладая при этом малой шириной. Между тем, получение ультрахолодных анионов могло бы иметь большое значение, в частности, для развития квантовых вычислений и квантовой сенсорики.

Ультрахолодные отрицательные ионы могут стать важными элементами при создании квантовых компьютеров, сверхточных часов и других прецизионных устройств. Уникальные свойства ультрахолодных анионов (например, наличие лишь одного слабо связанного электрона) могут дать преимущества в чувствительности к новым физическим эффектам.

При этом анионы (отрицательно заряженные ионы) тория (Th⁻) считаются одними из самых многообещающих кандидатов для лазерного охлаждения. Было экспериментально установлено, что время жизни одного из ключевых возбужденных состояний Th⁻ составляет всего 30 микросекунд — это в три раза короче предыдущих расчетов, что делает его крайне привлекательным для этой технологии . Другими словами, охлаждать анионы тория лазером значительно легче и эффективнее, чем многие другие элементы.

Проект направлен на создание в МИФИ экспериментальной установки для прямого лазерного охлаждения анионов тория-232 в ловушке Пауля. Исследователи планируют получить анионы тория методом лазерной абляции, подтвердить состав пучка с помощью масс-спектрометрии, научиться загружать и удерживать такие ионы в ловушке, уточнить спектральные параметры необходимых переходов и затем реализовать доплеровское охлаждение анионов тория на переходе около 2428,4 нм. Анион тория-232 рассматривается как один из наиболее перспективных кандидатов для прямого лазерного охлаждения атомных анионов: для него экспериментально подтверждён охлаждающий переход, быстрый и практически замкнутый цикл охлаждения, а отсутствие сверхтонкой структуры у изотопа тория-232 упрощает лазерную схему.

Ожидаемым результатом станет новая экспериментальная платформа для работы с холодными отрицательными ионами. На первом этапе команда планирует закупить, смонтировать и протестировать ключевое оборудование, получить анионы тория-232 и провести первичную масс-спектрометрию. На следующих этапах предполагается загрузка и удержание анионов в ловушке Пауля, спектроскопия горячей плазмы, лазерное охлаждение облака анионов, а затем переход к одиночному аниону или короткой цепочке анионов. В дальнейшем эта платформа может быть использована для прецизионной спектроскопии, проверки теоретических расчётов для тяжёлых атомных систем, разработки новых подходов к квантовой метрологии и формирования задела для кубитных приложений – в том числе зеемановского кубита на тории-232 или схемы, где торий-232 используется как охлаждающий «термостат» для тория-229.

Грант в размере 100 млн рублей выдан НИЯУ МИФИ в рамках программы «Приоритет-2030» и рассчитан на три года. Руководителем проекта является доктор физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой является Пётр Викторович Борисюк. В проектную команду входят сотрудники, инженеры, аспиранты и студенты кафедры, что позволит одновременно развивать новую экспериментальную платформу и готовить специалистов для направлений квантовых технологий и высокоточной метрологии.