El reloj atómico más pequeño: nitrógeno en una celda de carbono

Así es como se ve la molécula de nitrógeno fullereno. Átomo de nitrógeno dentro de una celda de carbono formada por 60 átomos de carbono

El moderno sistema geográfico GPS desarrollado por el ejército de los EE. UU. Permite que vehículos, dispositivos y sus propietarios naveguen en el tiempo y el espacio. El sistema transmite datos con una precisión envidiable: aproximadamente 1 señal por cada 100 nanosegundos. Estas señales son necesarias para una navegación precisa. Conociendo la velocidad de propagación de las ondas de radio, puede calcular su propia ubicación con un error de varios metros.

Pero los sistemas de geolocalización (GPS, GLONASS y otros) no pueden resolver todos los problemas con el tiempo. El hecho es que los satélites de un sistema de este tipo "conocen" el tiempo mediante relojes atómicos, que son muy precisos. Sin embargo, la señal en sí puede fallar, debido a la influencia de intrusos o factores naturales (una tormenta solar o incluso un simple reflejo de la señal de radio de los edificios). Pero, ¿qué pasa si un reloj atómico está incrustado en un receptor GPS?

Este no es un pensamiento inactivo, sino un proyecto real, cuya descripción se publica en la publicación autorizada Physical Review Letters . Tales relojes atómicos móviles, según los autores del estudio, son realmente posibles. Los científicos también esperan crear pronto un "mecanismo" similar.

El corazón y el centro funcional de cualquier reloj atómico es un recipiente con aire evacuado y una "nube" de metal vaporoso, generalmente cesio. Los átomos resuenan con una cierta frecuencia, que se fija con la ayuda de dispositivos. Al mismo tiempo, los átomos de cesio son "indiferentes" al efecto físico en el reloj, a las vibraciones y otros factores, que son muy sensibles, por ejemplo, los relojes. Las dimensiones de tales sistemas son muy diferentes. Pero ya hay un reloj atómico, cuyo tamaño no supera el tamaño de una pequeña maleta.

Y en 2004, aparecieron aún más sistemas en miniatura, desarrollados por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Pudieron lograr una reducción en el tamaño de los relojes atómicos a las dimensiones de un solo chip. Dichos sistemas se utilizan en varias áreas de la ciencia y la tecnología, incluidos los asuntos militares y la navegación submarina. Pero, desafortunadamente, la miniaturización afecta en gran medida el precio. Cuanto más pequeño es el reloj atómico, más caro es. El hecho es que producir tales sistemas es extremadamente difícil.

En general, uno apenas puede esperar la aparición de este tipo de reloj atómico en computadoras portátiles o teléfonos. Incluso si aparecen, los dispositivos serán muy caros. Y es poco probable que a un costo de un par de decenas de miles de dólares, el teléfono sea popular, y es precisamente la demanda lo que genera el suministro, y la tecnología llega a las masas. Hasta que sea posible reducir el costo de producción de tales sistemas, los relojes atómicos en miniatura seguirán siendo el destino de un estrecho círculo de especialistas. Tal vez los militares puedan pagar por tales sistemas, tal vez la NASA y otras agencias espaciales. Pero la salida "a la gente" no tendrá lugar.

La salida de esta situación puede ser una opción alternativa para crear relojes atómicos, propuesta en 2008 por Andrew Briggs y Arzhang Ardavan de la Universidad de Oxford. Los científicos propusieron olvidarse del vacío y el par de metales, y cerrar un solo átomo de nitrógeno en la celda de carbono. Esta célula es fullereno endoédrico. Los fullerenos endoédricos son moléculas de fullereno en la célula de las cuales están encerrados uno o más átomos o moléculas.

Uno de los experimentadores de fullereno más adecuados es N @ C ₆₀ . Este es un átomo de nitrógeno dentro de una celda de 60 átomos de carbono. Esta estructura se asemeja a una pelota de fútbol. El átomo de nitrógeno, de hecho, se mueve libremente en esta celda, conservando sus propiedades. Por cierto, los científicos ya han creado estructuras similares con helio y neón. Pero, como resultó, fue el átomo de nitrógeno en su "celda" el ideal para crear relojes atómicos en miniatura.

Aquí hay un matiz interesante: N @ C ₆₀ es una molécula que no debería existir, ya que la reactividad del átomo de nitrógeno es muy alta. Para crear una estructura compleja de este tipo se requieren condiciones especiales, que se pueden llamar extremas. El hecho es que empujar el átomo de nitrógeno hacia la estructura de carbono es casi lo mismo que obligar al agua del grifo a fluir hacia arriba. Estamos hablando de las características termodinámicas de tal reacción. Pero tan pronto como se forma la estructura, inmediatamente se estabiliza, ya que el carbono aísla y estabiliza el átomo de nitrógeno. Por lo tanto, el producto resultante se puede almacenar sin ningún problema.

En el laboratorio de la Universidad de Oxford, encontraron una manera de producir fullerenos de nitrógeno, si no de forma masiva, lo suficientemente rápido. Usan un método llamado implantación de iones. El fullereno se calienta a la temperatura de evaporación en un tanque de vacío, después de lo cual se depositan en un sustrato. Se forma una película delgada de C ₆₀ . Mientras esta película crece, es bombardeada con átomos de nitrógeno. Algunos de ellos se atascan en la película, formando la estructura deseada. Es cierto que la productividad es muy baja: la molécula de "nitrógeno fullereno" se forma 1 vez por cada 10.000 casos.



Una vez completado el procedimiento, es necesario asignar N @ C ₆₀ . El problema es que las propiedades químicas de C ₆₀ y N @ C _{60 son} casi idénticas. Sin embargo, todavía hay diferencias. Esto es, en primer lugar, el peso molecular y, en segundo lugar, la polarización. Estas dos diferencias permiten extraer nitrógeno fullereno utilizando un método llamado cromatografía líquida de alta presión (HPLC).

En la cromatografía convencional, las sustancias que tienen características químicas diferentes se separan unas de otras, pasando, por ejemplo, a través de las fibras de papel especial. En el caso de la cromatografía de alta presión, el principio es el mismo, pero la sustancia se conduce a través de un "separador" bajo presión. En el caso de la separación de nitrógeno fullereno, la operación debe realizarse muchas veces para separar C ₆₀ de N @ C ₆₀ .

Entonces, ¿qué pasa con el reloj atómico? En este caso, se utiliza un generador que emite una señal de radio cuya frecuencia es cercana a la de la absorción de la señal de radio por nitrógeno. Esta señal se transmite a través de la antena al tanque, donde se encuentran las moléculas de nitrógeno fullereno. Puede ser un polvo o una solución. Si el oscilador está sintonizado correctamente, la señal de radio se absorbe. Si no, la señal pasa a través de la solución / polvo. Usando un sistema de sintonización especial con retroalimentación, los científicos han logrado el ajuste automático de la señal a los indicadores requeridos. Todo esto se puede usar para crear relojes atómicos.

Ahora la tarea principal que enfrentan los científicos es crear un chip en miniatura basado en la molécula de fullereno. Tal sistema estaría desprovisto de elementos ópticos que se usan comúnmente en relojes atómicos. Tampoco se requiere vacío. Dichos sistemas serán en miniatura y energéticamente eficientes. También podrán reemplazar los osciladores de cristal utilizados en los dispositivos electrónicos modernos de seguimiento del tiempo.


La solución de fullerenos en el matraz

Según los creadores de esta tecnología, hay muchas formas de usarla. Todos los relojes portátiles ultraprecisos son necesarios: creadores de dispositivos electrónicos, militares, científicos, médicos. En cuanto al sistema GPS, su señal puede captarse incluso en interiores. Esto se facilitará mediante la colocación de relojes atómicos dentro del propio dispositivo electrónico, el receptor. La señal del GPS será muy difícil de ahogar, ahora es bastante simple de hacer. Incluso si la red de satélite está parcialmente dañada (algunos satélites fallan), los receptores GPS en la Tierra con un reloj atómico integrado funcionarán.

Además, será posible crear sistemas de geolocalización en miniatura para vehículos, aduanas, servicios postales. Se pueden rastrear paquetes y equipos sin ningún problema, incluso durante el paso de dichos sistemas a través de túneles.

Por supuesto, la creación de un sistema comercial todavía está muy lejos: los científicos deben interesar a las empresas con su invención. Por cierto, el fullereno nitrogenado no cuesta nada: $ 266 millones por gramo de sustancia. El fullereno endoédrico, de hecho, se ha convertido en la sustancia más cara de la Tierra, solo superada por la antimateria (que, en cantidades significativas, aún no se puede establecer). Según algunas estimaciones, 1 gramo de antimateria costará $ 48 billones. Pero esto es en caso de que se encuentre una forma práctica de almacenar antimateria.