Специалисты из Университета Синьцзян в Китае создали новый кристалл, способный генерировать ультрафиолетовое излучение, что может стать важным шагом в создании сверхточных ториевых ядерных часов. Данное достижение имеет большое значение для навигации, и в перспективе такие часы потенциально смогут использоваться для управления подводными лодками или автоматизированными межпланетными станциями в удаленных космических районах, не требуя применения глобальных спутниковых навигационных систем, таких как GPS. Имеющиеся сведения указывают на то, что идеальные ядерные часы не заменят GPS, однако, при условии совершенствования технологии, удастся существенно уменьшить зависимость от спутниковых систем. Главная задача, над которой работают ученые, – это повышение точности хронометрирования, являющейся базой для функционирования GPS.
Чтобы осознать значимость этой задачи, полезно проанализировать принцип работы навигации в стандартном смартфоне. Телефон определяет своё местоположение, принимая сигналы от спутников, и с помощью специальных алгоритмов измеряет время поступления каждого сигнала. Полученные данные используются для определения положения устройства в пространстве методом триангуляции, что представляет собой время-ориентированную навигацию. Таким образом, точность часов напрямую влияет на качество навигационной системы. Однако, несмотря на кажущуюся простоту принципа, GPS-системы обладают существенными недостатками. К примеру, их сигналы могут быть заглушены или заменены поддельными, что делает их уязвимыми в условиях военных действий. Помимо этого, GPS не работает должным образом под водой или в подземных условиях.
Использование GPS для подводных лодок – сложная задача, поскольку для приема сигнала им требуется подниматься на поверхность, что делает их весьма уязвимыми. Современные субмарины решают эту проблему с помощью атомных часов, отличающихся высокой точностью. В основе их работы лежит измерение колебаний электронов, вращающихся вокруг атомов. Тем не менее, исследователи считают, что перспективным может быть использование ядерных часов, основанных на колебаниях атомных ядер, которые способны обеспечить точность в 10–1000 раз выше. Это станет значительным достижением, поскольку атомные ядра гораздо устойчивее электронов и менее чувствительны к изменениям температуры, вибрациям, магнитным полям и другим воздействиям.
Для реализации поставленной задачи исследовательская группа использовала торий-229. Этот элемент отличается тем, что его ядро колеблется на крайне низком энергетическом уровне, что облегчает его наблюдение и измерение. Для проведения таких измерений необходимы ультрафиолетовые лазеры с высокой точностью и длиной волны приблизительно 148 нанометров (а именно — 148,3 нм). Создание такого лазерного излучения представляет собой сложную задачу, и на этом этапе в дело вступает новый кристалл. По словам ученых, разработавший кристалл позволяет преобразовывать лазерный свет в ультрафиолетовое излучение с очень короткой длиной волны — 145,2 нанометра. Этот показатель меньше требуемых 148,3 нм, но при этом он превышает предыдущий мировой рекорд в 150 нм, что является значительным прогрессом.
Ученые сообщили, что применение фторированного боратного соединения позволяет увеличить интенсивность лазерного излучения до рекордной длины волны – 145,2 нанометра. Данный показатель достаточно мал для соответствия ключевому требованию при создании высокоточных портативных часов, которые в настоящее время разрабатываются в США, Китае и ряде других стран. В случае достижения этой цели, появится возможность чрезвычайно точного определения местоположения посредством метода «мертвой реконструкции», основанного на сопоставлении данных о скорости, направлении и времени прохождения. Более того, теоретически возможно использование сигналов из различных источников, например, звезд, пульсаров или радиосигналов, в качестве навигационных ориентиров. Освоение данной технологии позволит подводным лодкам свободно ориентироваться под водой, исключив необходимость всплытия. Это также окажет значительное влияние на другие области, включая ракетные технологии, которые смогут стать неуязвимыми для навигационных помех. Для космических аппаратов разработка открывает перспективы автономной навигации в удаленных областях космоса без необходимости получения корректировок с Земли.