Основой всех современных атомных часов является вакуумная камера, в которой «плавает» облако из атомов испаренного металла, чаще всего цезия. Это облако освещается светом лазера, который поставляет каждому атому строго определенное количество энергии, в результате чего электроны атомов начинают колебаться, переходя в возбужденное энергетическое состояние и возвращаясь назад. Однако, если энергия фотонов света сдвигается в любую сторону даже на незначительную величину, это приводит к смещению частоты колебаний атомов от точки резонанса, эффективность поглощения света и, следовательно, эффективность работы часов резко падает.
Шестьдесят атомов углерода образуют сферическую клетку, называемую фуллереном, которая может захватывать молекулу азота. Эта компоновка защищает азот (синий) от магнитных помех, позволяя ему резонировать и, таким образом, служит основой для атомных часов
© Emily Cooper
В 2004 году исследователям из американского Национального института стандартов и технологий удалось сократить размеры атомных часов до устройства, высотой всего в несколько миллиметров. Сейчас такие атомные часы на чипе используются достаточно широко в коммуникационных технологиях, в навигации и т.п. Однако, потребителям таких часов приходится в прямом смысле платить очень высокую цену за миниатюризацию. Ведь в малогабаритных атомных часах использован ряд технологий, позволяющих устранить влияние стенок вакуумной камеры на атомы металла, влияние малого размера камеры на стабильность частоты колебаний, утечки энергии от нагревателя, который поддерживает концентрацию атомов и многое другое. В результате этого миниатюрные атомные часы еще долго не будут той вещью, которую можно включить в состав потребительской электроники.
Однако, Эндрю Бриггс (Andrew Briggs) и Аржанг Ардэвэн (Arzhang Ardavan), ученые из Оксфордсокого университета, еще в 2008 году предложили альтернативный вариант создания крошечных атомных часов. Вместо того, чтобы для удержания атомов использовать специальную ловушку в вакуумной камере, они предложили использовать естественную ловушку, молекулу фуллерена C60, сферическую молекулу, состоящую из 60 атомов углерода.
Атом или молекула, заключенные внутри углеродной оболочки, не контактируют с этой оболочкой и защищаются ею достаточно хорошо от любых внешних факторов. При этом, физические и химические свойства молекулы фуллерена с заключенным в ней «чужеродным» атомом, практически не отличаются от хорошо известных свойств чистой молекулы.
Согласно результатам последних исследований, идеальным вариантом для создания крошечных атомных часов является атом азота, заключенный внутри фуллеренового шара, N@C60. Молекула этого соединения, с учетом химической активности азота, не должна существовать, однако, существует несколько способов синтеза таких молекул, и главным достижением оксфордских исследователей является разработка такого метода, основанного на технологии ионной имплантации, который работает в реальности. В процессе синтеза на одну молекулу N@C60 получается порядка 10 тысяч молекул пустого фуллерена C60 и основная трудность заключается в том, что физические и химические свойства молекул обоих типов практически идентичны. Вторым достижением является технология сортировки, которая позволяет отделить пустые молекулы фуллерена от молекул N@C60, которые после этого можно собрать и использовать по назначению.
Атомные часы представляют собой множество молекул N@C60, упорядоченных в виде матрицы, к которым подводится радиосигнал, с частотой, близкой к частоте поглощения атома азота. Если частота генератора находится в допустимых пределах, то молекулы N@C60 поглощают энергию, что регистрируется при помощи специального датчика. При отклонении частоты генератора или при смещении резонансной частоты атомов азота количество поглощенной энергии снижается, вступает в действие обратная связь и частота задающего генератора корректируется в нужную сторону. Отметкой времени в данном случае является длительность цикла коррекции частоты задающего генератора.
Время, когда атомные часы на основе молекул N@C60 могут быть включены в кристалл электронного чипа, должен еще только наступить. Тем не менее, в том, что оно наступит, сомневаться не приходится, ведь работа таких часов полностью основана на электронных компонентах, в таких часах отсутствуют оптические компоненты, которые являются необходимым атрибутом атомных часов любых других типов. И, потенциально, такие атомные часы смогут в будущем стать заменой кварцевым генераторам, используемым практически в любом электронном устройстве.
И в заключение следует отметить, что оксфордские ученые в самом ближайшем времени собираются изготовить первый опытный образец атомных часов, основой которых станут молекулы N@C60.
