Максим Ухин
Перпендикулярные друг другу лазерные лучи придают вращение наночастице. Иллюстрация Physorg
Научная терминология, скажем названия химических элементов, строится на греко-латинских корнях. Так, согласно греческой мифологии, Зевс родил с богиней памяти Мнемозиной девять дочерей, ставших музами. Одна из них, Талия, заведовала комедиями. Имя музы означает цвет первой листвы, который потом сменяется более насыщенным – хлорос. Поэтому химики различали таллий и хлор по цветам их линий спектра. Вместе с первой листвой греки радовались и голубому цвету небесной сферы, или полости (целома). Цвет спектральной линии дал название элементу цезию.
Он стоит в таблице Менделеева под такими «активистами», как литий, натрий и калий. Увеличение веса по сравнению с ними только добавляет ему химической агрессивности: цезий может буквально вспыхивать на воздухе, что свидетельствует о легкой возбудимости его электронов.
На основе цезия были созданы самые точные, как казалось, цезиевые часы. Фактически это генератор, управляемый квантовым стандартом частоты, определяемой переходами электронов цезия с одного уровня на другой. Впервые ученые получили в свое распоряжение устройство, точность «хода» которого не превышала наносекунд (нс). Оно позволило определить замедление времени при полете реактивного лайнера через океан и изменение тяготения Земли при подъеме в горы. Погрешность хода новых часов в 100–10 000 меньше нс! Но за наносекунду радиоволна проходит большое расстояние, поэтому нс-точность не позволяла создать глобальные системы позиционирования. Шла постоянная борьба за сокращение погрешности, или увеличение точности хода часов, что сделала реальной ГЛОНАС.
Но развитие технологий, давшее охлаждение вакуума до 0,1 К (–273 по Цельсию), привело к созданию в лаборатории Института мер и технологии в г. Боулдере, что близ Денвера (США), самых точных на сегодня часов со «спокойными» атомами стронция. Его атомы проще удерживать в узлах (pits) оптической решетки, образованной перпендикулярными друг другу стоячими волнами света. Это повысило разрешение частоты электронных переходов. Они вызываются лазерным возбуждением атомов, в результате чего электроны испытывали колебания между энергетическими уровнями.
Использование стоячих волн лазерного света обеспечивало лучшее уловление атомов и вследствие этого – резкое снижение уровня шумов, неизбежно возникающих при столкновении атомов друг с другом. Если верить авторам этой работы, опубликованной в журнале Nature, то точность хода новых часов составляет накопление секундной ошибки за… 40 млрд лет!
Ученые из Университета Восточной Финляндии и амстердамского Центра фотоники, цюрихского Политеха и Инновационного института в Абу-Даби не захотели отставать от заокеанских коллег. Они измерили вращение оптически подвешенной с помощью лазерного пинцета (tweezers) наночастицы. Естественно, что успех был достигнут благодаря ее охлаждению до милли-Кельвина (mK), что в 100 раз меньше того режима, что был в Боулдере. Частота вращения наночастицы в почти полном вакууме превышала 1 гигагерц (GHz). Но авторы снижали ее в экспериментах до миллигерца (mHz), то есть практически останавливая ее поворот вокруг своей оси. Ученые полагают, что их «девайс» найдет применение в ротационных квантовых интерферометрах.
Можно напомнить, что молекулы многих ферментов совершают ротации своих частей-доменов, и самым известным примером является АТФ-аза. Она имеет неподвижный «статор» с ионным каналом внутри него, по которому проходят выбитые в начале фотосинтеза протоны воды. Проходя по каналу, они отдают свою энергию, за счет которой вращается подвижная головка фермента. Энергия ротации при этом способствует синтезу АТФ.
Та же головка, вращаясь в обратную сторону, отрывает фосфат, и выделившаяся при этом энергия расходуется на восстановление углекислого газа и последующее «строительство» углеродных цепочек, в которых заключена энергия дневного светила. Так фотосинтез поддерживает всю биосферу планеты.
Этот процесс, фотосинтез, очень сложен и пока недоступен для лабораторного воспроизведения. Но возможно, что со временем солнечные батареи смогут воспроизвести в основных частях его квантовую составляющую, и тогда энергию можно будет черпать буквально из воздуха.
