Исследование показало, что молекулярный ион азота может быть использован в качестве стандарта частоты для более точного измерения времени. Полученные результаты будут полезны в исследованиях фундаментальных физических явлений и помогут улучшить навигационные системы.
26.11.2025
Сегодня точность измерения времени критически важна для глобальных навигационных спутниковых систем, таких как GPS и ГЛОНАСС. Они определяют местоположение, измеряя время, за которое сигналы от нескольких спутников доходят до приёмника. Поскольку радиоволны движутся со скоростью света, даже небольшие ошибки в определении времени их регистрации могут привести к значительным погрешностям в определении положения объекта на Земле. Секунда определяется с помощью подсчёта определённого количества переходов в атоме цезия, так называемый цезиевый стандарт для определения времени. В настоящее время цезиевые часы широко применяются в спутниках.
Хотя современные атомные часы уже достигли поразительной точности, учёные исследуют и альтернативные подходы, в том числе на основе молекул. Например, часы, основанные на ионе молекулярного азота (N2+), могут демонстрировать большую точность, особенно при их охлаждении до очень низких температур. Однако, частота переходов между колебательными уровнями молекулы зависит от температуры – этот эффект известен как сдвиг из-за излучения абсолютно чёрного тела. Ранее он считался незначительным, однако новые данные показывают, что даже небольшие изменения могут существенно повлиять на погрешность измерений.
«Чтобы решить эту задачу, совместно с коллегами из Петербургского института ядерной физики мы провели ряд расчётов для определения кривых потенциальных энергий молекул азота и её однозарядного иона, для чего изучили их электронную структуру. Определили поляризации этих молекул во внешнем электрическом поле и учли влияние температуры на их колебательные состояния. Исследование показало, что N2+ может стать основой для создания новых молекулярных часов, которые будут измерять время с большей точностью, чем современные атомные часы. Полученные результаты открывают новые возможности для исследований фундаментальных физических явлений и улучшения навигационных систем».
На основе проведённых расчетов учёные смогли более точно воспроизвести колебательные спектры молекулы азота и её иона. Эти результаты можно использовать для поиска эффектов, обусловленных квантовой электродинамикой при конечной температуре. Результаты исследований представлены в журнале Physical Review A (Q1).
«Я хотел бы поблагодарить своих соавторов и моего наставника – профессора кафедры физики Михаила Геннадьевича Козлова, который является одним из людей, вносящих значимый вклад в квантовую физику», – отметил доцент кафедры физики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Юрий Андреевич Демидов.
Расчёты электронной структуры молекул выполнены при поддержке Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС» (грант № 23-1-3-31-1). Расчёты поляризуемостей и тепловых штарковских сдвигов выполнены при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-12-00043).
Исследование проводится в рамках реализации программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030», национального проекта «Молодёжь и дети» и десятилетия науки и технологий в России, главным мероприятием которого является Конгресс молодых учёных.
