История физики ХХ века

В результате вместо одного конденсата Бозе-Эйнштейна - стало два, конденсат атомов и конденсат молекул, две одновременно сосуществующие фазы газа атомов при сверхнизких температурах.

Важно отметить, что для проведения этих наблюдений было крайне важным использование чисто оптической ловушки. Использование магнитной ловушки для удержания атомов моментально связало бы экспериментаторам руки, поскольку именно подстройкой внешнего магнитного поля и удавалось модифицировать межатомное взаимодействие.

Мораль всех этих экспериментов проста, но крайне важна: экспериментаторы научились контролировать и изменять в лабораторных условиях свойства и структуру квантовых газов в микроскопических и макроскопических масштабах. Перспективы такого «тотального контроля» крайне интригующи: уже сейчас подобное воздействие применяется в первых опытных образцах квантовых компьютеров и атомных лазеров.

Первыми получили конденсат Бозе-Эйнштейна американцы. Немец Кеттерле был разочарован, узнав, что Корнелл и Вейман его опередили. Однако решил продолжать собственные эксперименты. На то были, впрочем, особые причины. Во-первых, он шел своим путем. Во-вторых, в своих опытах он использовал атомы натрия, а не рубидия. И спустя три месяца он тоже добился желаемого результата. Причем ему удалось получить в 100 раз больше конденсата, чем конкурентам. Кроме того, на основе конденсата Бозе - Эйнштейна он решил построить атомный лазер. И создал его в 1996 году.

В отличие от света, испускаемого обычной лампочкой, лазер, как известно, испускает когерентное излучение. То есть все испускаемые им фотоны имеют одну и ту же энергию, длину и фазу волны. Если вместо света использовать синхронизированные атомы - как раз такие, что составляют конденсат Бозе - Эйнштейна, - можно говорить об атомном лазере, обладающем большей эффективностью, нежели обычный.

Между оптическим и атомным лазерами есть как аналогии, так и различия. Аналогом активной среды оптического лазера в атомном выступает бозе-конденсат из ультрахолодных атомов. В обоих случаях внешняя энергия приводит к тому, что из активной среды вырывается когерентное излучение. Но происходит это не в результате спонтанного излучения атомов активной среды, как в оптическом лазере, а вследствие более сложного взаимодействия атомов, которое приводит к образованию своеобразных капель «жидкого света». Они обладают чуть меньшей скоростью, нежели фотоны, зато намного большей энергией.

Использовать вместо луча света пучок атомов предлагалось еще четверть века тому назад, когда в Америке началась разработка программы «Звездные войны». Такая замена резко бы увеличила мощность луча, что было необходимо для оружия, подготавливаемого для войн в космосе. Но интересен такой лазер не только мощностью.

Как предполагают ученые, с помощью атомного лазера можно будет вести изготовление микросхем с такими возможностями, о которых мы сегодня и мечтать не смеем. Ведь новый инструмент позволяет распоряжаться атомами поштучно, выстраивая из них, словно из кирпичей, какие угодно ансамбли. А совсем недавно в Институте квантовой оптики имени М. Планка был создан микрочип величиной в почтовую марку. Он заключен в резервуар и содержит миниатюрную оптическую ловушку, которая позволяет получать конденсат Бозе - Эйнштейна. Вероятно, такой микрочип может стать основой компьютеров шестого поколения с невиданными ранее возможностями по быстродействию.

Физикам из США впервые удалось также создать новое состояние вещества - фермионный конденсат. Конденсат состоит из пар фермионных атомов при сверхнизкой температуры. По мнению одного из участников разработки Деборы Джин, это поможет понять природу сверхпроводимости и сверхтекучести, а также создать сверхпроводники, работающие при комнатных температурах.

Американские ученые предприняли попытку получить своего рода молекулы из атомов-фермионов при глубоком охлаждении. Отличие от настоящих молекул заключалось в том, что между атомами не было химической связи - просто они двигались вместе, коррелированным образом. Связь между атомами оказалась даже прочнее, чем между электронами в куперовских парах. У образованных пар фермионов суммарный спин уже не кратен 1/2, следовательно, они уже ведут себя как бозоны и могут образовывать бозе-конденсат с единым квантовым состоянием. В ходе эксперимента охлаждали газ из атомов калия-40 до 300 нанокельвинов, при этом газ заключался в так называемую оптическую ловушку. Затем наложили внешнее магнитное поле, с помощью которого удалось изменить природу взаимодействий между атомами - вместо сильного отталкивания стало наблюдаться сильное притяжение. При анализе влияния магнитного поля удалось найти такое его значение, при котором атомы стали вести себя, как куперовские пары электронов. На следующем этапе эксперимента ученые предполагают получить эффекты сверхпроводимости для фермионного конденсата.

Управление квантовыми системами. Нобелевская премия 2012 года. В течение 2012 года большая часть физического сообщества не сомневалась, Нобелевская премия за этот год будет присуждена первооткрывателям бозона Хиггса. (При том, что в существовании самого бозона Хиггса многие не сомневались с работ П.Хиггса 1964 года или немногим более поздних работ А.Салама и С.Вейнберга, удостоенных Нобелевской премии по физике за 1974 год). Однако, 9 октября 2012 года Нобелевский комитет объявил о присуждении Нобелевской премии по физике Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленду за «прорывные экспериментальные методы, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими».

Серж Арош родился 11 сентября 1944 года в Касабланке, Марокко.

Мать сержа -- уроженка Одессы Валентина Арош (урождённая Рублёва, 1921--1998) -- работала учительницей, отец -- Альбер Арош (1920--1998, родом из Марракеша) -- был адвокатом. Его бабушка и дедушка (Исаак и Эстер Арош) возглавляли школу Всемирного еврейского союза Йcole de l'Alliance Israйlite. Бабушка и дедушка по материнской линии, врачи Александр Рублёв и София Фромштейн, покинув в начале 1920-х годов СССР поселились в Париже, а оттуда перебрались в Касабланку.

Когда Сержу было 12 лет, Марокко провозгласило независимость, и его семья переехала во французскую метрополию. Арош в Политехнической школе, Высшей нормальной школе и Парижском университете (1963--1967). В 1971 году под руководством Клода Коэна-Таннуджи защитил диссертацию в Университете Пьера и Марии Кюри Арош работал научным сотрудником Национального центра научных исследований (CNRS, 1967--1975), затем на протяжении года стажировался в Стэнфордском университете в группе Артура Шавлова. В 1975 году он был назначен профессором Университета Пьера и Марии Кюри. В 1974--1984 годах преподавал также в парижской Политехнической школе. В 1994--2000 годах возглавлял отделение физики Высшей нормальной школы.

С 2001 года -- профессор Коллеж де Франс, где он заведует кафедрой квантовой механики (с сентября 2012 года также администратор колледжа).Серж Арош является членом Французского, Европейского и Американского физических обществ.

В 2012 году Серж Арош совместно с Дэвидом Уайнлендом был удостоен Нобелевской премии по физике за "создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими".

Американский физик Дэвид Джеффри Уайнленд (David Jeffrey Wineland) роодился в Милуоки, штат Висконсин, США.

В 1961 году закончил школу Энсина в Сакраменто, Калифорния. Физику изучал сначала в Калифорнийском университете в Беркли, потом в Гарвардском университете, где и защитил диссертацию в 1970 году, его диссертация была посвящена мазерам на атомарном дейтерии. Его научным руководителем был Норман Рамзей. Некоторое время Уайнленд вел научные исследования в Вашингтонском университете в группе Ханса Георга Демельта, а в 1975 году перешел на работу в Национальное бюро стандартов в Боулдере, штат Колорадо. Именно там он выполнил свои основные эксперименты. Сферой его исследований являлась оптика и, в частности, лазерное охлаждение ионов в квадрупольных ионных ловушках с последующим использованием захваченных ионов для выполнения квантовых вычислений. Там он трудится и сегодня, только учреждение это в 1988 году было переименовано и называется теперь Национальным институтом стандартов и технологий. Параллельно 68-летний профессор Уайнленд преподает в Колорадском университете. Также Уайнленд является членом Американского физического общества и Американского оптического общества. В 1992 году он был избран членом Национальной академии наук США. В 2012 году Дэвид Уайнленд совместно с Сержем Арошем был удостоен Нобелевской премии по физике за "создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими".

Иногда бывает так, что Нобелевскую премию присуждают за одно-единственное, одномоментно сделанное открытие, которое было удачной догадкой или гениальным прозрением. Однако далеко не всегда революция в физике происходит так «легко»; чаще оказывается, что трудности встают на пути к цели одна за другой, и каждый раз приходится совершать новый прорыв. Именно такое описание в полной мере относится к работам лауреатов Нобелевской премии по физике за 2012 год -- француза Сержа Ароша (Serge Haroche) и американца Дэвида Вайнленда (David Wineland). Они сыграли ключевую роль в грандиозном достижении экспериментальной физики последних десятилетий -- контроле над квантовым состоянием отдельных элементарных частиц. Однако сделано это было не сразу, а в несколько ключевых этапов, растянувшихся на треть века и завершившихся громкими результатами (включая и практические приложения) обоих лауреатов буквально в последние годы.

Любопытно подчеркнуть несколько интересных моментов, объединяющих исследования Ароша и Вайнленда. Арош работает с квантовыми состояниями одиночных фотонов, пойманных в резонатор и надолго «отцепленных» от внешнего мира. Вайнленд работает с квантовыми состояниями одиночных ионов, пойманных в ловушку и тоже изолированных от хаотического внешнего воздействия. Но при этом Арош использует атомы, чтобы наблюдать за состоянием фотона, а Вайнленд использует фотоны, чтобы манипулировать состояниями ионов. Оба метода позволяют осуществить экспериментально то, что еще полвека назад могло считаться лишь «мысленным экспериментом», а также изучить то, как соотносятся друг с другом квантовый и классический мир. И наконец, Арош и Вайнленд -- давние и хорошие друзья.

Сверхдобротные резонаторы. Исследования Сержа Ароша относятся к квантовой оптике -- разделу физики, изучающему квантовые свойства отдельных фотонов, «элементарных кусочков» света. Обычно фотоны используются лишь как одноразовые «посыльные» -- они излучаются в источнике, летят к фотодетектору и там поглощаются. Если с ними что-то произошло в пути, то мы об этом узнаем лишь после их «смерти». Жизнь такого фотона быстротечна, его нельзя долго держать и изучать. А Серж Арош задался именно этой целью -- научиться удерживать единичный фотон достаточно долго внутри экспериментальной установки и в течение этого времени его аккуратно исследовать.

Удержать фотон в принципе можно, заставив его метаться туда-сюда между двумя вогнутыми зеркалами сверхвысокого качества (вогнутость зеркал не позволяет фотону уйти в сторону). Правда, фраза «метаться туда-сюда» не совсем точно отражает ситуацию. Когда длина световой волны сравнима с расстоянием между зеркалами, фотон уже не перемещается между зеркалами, а, как бы дрожа, замирает между ними -- получается стоячая световая волна, опирающаяся на зеркала. Такая система зеркал называется резонатором (в англоязычной литературе используется термин cavity «полость»).

Качество удержания фотона характеризуется добротностью резонатора, Q. Это число показывает, грубо говоря, сколько раз фотон отразится от зеркал, прежде чем как-то пролезет наружу (или, более аккуратно, во сколько раз время удержания фотона больше периода колебания световой волны). Ясно, что добротность критически зависит от отражательной способности зеркал: чем ближе коэффициент отражения к единице, тем выше добротность.

В микроволновом диапазоне (длины волн порядка миллиметров или сантиметров) благодаря применению сверхпроводников удается добиться исключительно хорошего отражения. Уже в 70-80-х годах в распоряжении физиков были резонаторы с добротностью в миллионы, а сейчас она уже достигает десятков миллиардов (рис. 2). В таком резонаторе микроволновой фотон будет «жить» десятые доли секунды -- огромный промежуток времени для современной экспериментальной физики. За это время можно, не торопясь, и породить фотон, и воздействовать на него, и «просканировать» его состояние (как это сделать, будет рассказано ниже). Главное, фотоны перешли в категорию «частиц», долго живущих внутри экспериментальной установки, «частиц», над которыми уже можно проводить разнообразные опыты.

Квантовая электродинамике в резонаторе

И вот тут в этой истории появляется «вираж», очень характерный для современной физики. Создание высокодобротных резонаторов -- такое, казалось бы, совершенно техническое достижение -- открыло перед физиками новый раздел фундаментальной физики -- квантовую электродинамику резонатора (по-английски cavity quantum electrodynamics, CQED). Это позволило поставить такие опыты с фотонами, которые буквально «прощупывали» самые основы квантовой физики и позволяли по-новому изучать загадочный переход между квантовым и классическим поведением частиц.

Один из ярких примеров таких экспериментов, выполненный в группе Сержа Ароша, -- экспериментальная демонстрация того, что время жизни единичного возбужденного атома можно сильно изменить, поместив его в такой резонатор.

Постановка опыта проста, а результат, на неискушенный взгляд, просто удивительный. Между двумя зеркалами пустого резонатора (то есть без фотонов внутри) пролетает атом, находящийся в возбужденном состоянии. Вообще, возбужденные атомы нестабильны, и через небольшое время электрон в нём прыгает на более низкий уровень, излучая при этом фотон. Казалось бы, это спонтанное излучение -- сугубо внутриатомный процесс, и время жизни возбужденного состояния -- собственная характеристика атома. Однако оказывается, что пролетая сквозь пустой резонатор, атом может ускорить или, наоборот, замедлить процесс «высвечивания» фотона!

Возбужденный атом при этом находится в пустоте, его никто не «трогает» (стенки резонатора удалены от атома на сантиметр!), мы на него не воздействуем никакими внешними электромагнитными полями. Мы всего лишь ограничиваем вакуум вокруг него -- и этого уже достаточно, чтобы помешать или, наоборот, поспособствовать излучению фотона.

С точки зрения житейской интуиции -- ситуация совершенно необыкновенная. Мы привыкли, что результат может вызвать только прямое воздействие на объект: либо через непосредственное соприкосновение с ним, либо через силовые поля. А тут получается так, словно мы запрещаем или «поощряем» распад, вообще не воздействуя на атом!

Разгадка этого кажущегося парадокса состоит в том, что квантовые объекты нелокальны, неточечны. Конкретно, когда атом излучает фотон, то этот фотон вовсе не вылетает прямо из атома. Оптический фотон вообще невозможно локализовать с атомной точностью. Именно поэтому атомы и молекулы не видны в оптический микроскоп, а также именно поэтому бессмысленно спрашивать, например, из какой части сложной молекулы (скажем, молекулы красителя) вылетает фотон при излучении. Фундаментальная причина этого состоит в том, что электромагнитное взаимодействие довольно слабо, так что постоянная тонкой структуры -- маленькая величина.

Правильнее процесс излучения представлять себе так, словно фотон появляется сразу в некотором объеме вокруг атома и затем расширяется во все стороны . Этот объем на порядки больше, чем объем самого атома, и он увеличивается еще больше при увеличении длины волны фотона, то есть при уменьшении разницы между энергетическими уровнями, между которыми произошел переход. Поэтому если какие-то посторонние предметы находятся в этом объеме, за которые может «зацепиться» будущий фотон, то они могут изменять скорость его излучения.

В опытах Ароша использовались особые, сильновозбужденные атомы (это так называемые ридберговские состояния атома). В них разница между энергетическими уровнями, между которыми идет переход, так мала, что длина волны излученного фотона составляет вполне макроскопическое значение -- миллиметры и сантиметры. Хотя атом сам по себе и крошечный, но когда он «пытается» излучить фотон, он «прощупывает обстановку» в сантиметровом объеме.

Резонатор, использованный Арошем, был сопоставимого размера, и это позволяло ему влиять на скорость распада. Например, в совсем маленьком резонаторе излученный фотон просто не поместился бы -- и уже один этот факт предотвращает его излучение, стабилизирует возбужденное состояние. Если же размер резонатора подобрать так, чтоб фотон ровненько в него вписывался, то атому будет даже удобнее излучить такой фотон, вероятность излучения резко возрастает.

Справедливости ради надо сказать, что этот эффект вовсе не был для физиков сюрпризом. Такое поведение было теоретически предсказано Эдвардом Пёрселлом еще в 1946 году, а первые экспериментальные намеки на такое поведение появились в начале 70-х годов. Правда, тогда речь шла об излучении молекул, расположенных между двумя плоскими зеркалами, и эффект был довольно «грязным». Серж Арош и его сотрудники добились гораздо более сильного и чистого эффекта: в их статье 1983 года сообщается о примерно пятисоткратном (!) ускорении излучения фотона. Еще раз почувствуйте изюминку: свечение усилилось только за счет того, что мы правильным способом ограничили пространство в вакууме вокруг излучателя!

Спустя четыре года эффект был продемонстрирован сразу несколькими исследовательскими группами и в оптическом диапазоне, причем как в сторону усиления, так и ослабления излучения в десятки раз. Без преувеличения можно сказать, что началась эпоха манипулирования темпами внутриатомных процессов. А группа Сержа Ароша тем временем двинулась дальше...

Подсчет фотонов и фейерверк результатов. Когда речь идет об экспериментах с одной или несколькими частицами, возникает естественный вопрос: как можно измерить количество частиц? Для электронов, скажем, ответ простой: надо измерить электрический заряд объекта и поделить на заряд одного электрона. А как измерить, сколько фотонов «застряло» между зеркалами резонатора?

Проблема с фотонами в том, что они легко поглощаются. Если фотонов огромное число, то это несущественно -- именно так измеряют напряженность классического электрического или магнитного поля пробными зарядами. Но когда фотонов мало, поглощать их нехорошо -- это полностью меняет состояние измеряемого объекта. Может быть, можно без этого как-то обойтись? Оказывается, да. В квантовой механике вовсе не все измерения меняют состояние системы; существуют так называемые квантовые неразрушающие измерения (по-английски quantum non-demolition measurements), которые умудряются без этого обойтись (этот тип измерений, кстати, предложил советский физик Владимир Брагинский).

В 1990 году вышла статья Ароша и соавторов, в которой была предложена конкретная схема для неразрушающего измерения количества фотонов в резонаторе. Для этого авторы снова предлагают использовать специальным образом приготовленные атомы, пролетающие сквозь резонатор. Только в этот раз резонатор играет иную роль: он не приводит ни к излучению, ни к поглощению фотонов, а слегка сдвигает уровни энергии атома на величину, зависящую от количества фотонов. Сдвиг уровней энергии (который присутствует только во время пролета сквозь резонатор) слегка изменяет состояние атома на выходе, измерив которое, можно «сосчитать фотоны».

Реализация этой идеи, однако, натолкнулась на серьезные технические трудности, которые были преодолены лишь в 2007 году. Зато потом, в считанные месяцы, группа Ароша выполнила несколько блестящих исследований, позволивших по-новому взглянуть на основополагающие квантовые явления.

Март 2007 года: удается проследить появление и исчезновение отдельного фотона в резонаторе.

Август 2007 года: постепенный «коллапс» семифотонного начального состояния, в котором видно, как на протяжении полусекунды фотоны один за другим исчезают из резонатора.

Сентябрь 2008 года: наблюдение состояний типа «кота Шрёдингера», когда в резонаторе находится не какое-то определенное количество фотонов, а суперпозиция трехфотонного и четырехфотонного состояния.

Октябрь 2008 года: наблюдение квантового эффекта Зенона в резонаторе (квантовый эффект Зенона состоит в том поразительном свойстве квантовой механики, что непрерывное наблюдение за распадающейся системой «замораживает» ее распад).

Настоящий фейерверк результатов! Группа Ароша, разумеется, и на этом не собирается останавливаться, а открывает всё новые и новые приложения разработанных экспериментальных методов. К примеру, месяц назад вышла еще одна их статья, в которой квантовый эффект Зенона не просто наблюдается, а уже используется для ручного управления квантовой эволюцией фотонного поля в резонаторе и получения экзотических квантовых состояний электромагнитного поля.

Подводя итог под этой частью рассказа, можно вспомнить, что знаменитая дискуссия между Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном о физической сущности квантовой механики крутилась, среди прочего, и вокруг мысленного эксперимента с «однофотонным ящиком». Практическая реализация такого ящика, равно как и множество более тонких квантовых манипуляций с фотонами, была в те времена попросту невозможна с технической точки зрения. Серж Арош стал ключевой фигурой, благодаря которой подобные мысленные квантовомеханические эксперименты были реализованы.

Одноатомная квантовая «хирургия»: работы Дэвида Вайнленда

Манипуляция квантовым состоянием отдельного иона -- не менее трудная с технической точки зрения задача. Конечно, атомы, в отличие от фотонов, никуда не исчезают, и в этом смысле с ними работать проще. Но с другой стороны, длина волны атома (напомним, что в квантовом мире каждой частице соответствует некий волновой процесс) при его движении с обычными скоростями очень мала. Поэтому квантовые эффекты, связанные с поступательным движением (то есть перемещением атома как целого), при обычных температурах незаметны. Для того чтобы заметить квантование поступательного движения, отдельный атом или ион требуется не просто поймать, но и охладить до очень низких температур, порядка милликельвинов и ниже.

Пленение и охлаждение одиночных ионов

В принципе, технология ионных ловушек, в которых заряженные частицы удерживаются в центре переменным электромагнитным полем определенной формы, была разработана полвека назад. Она даже принесла своим создателям, Вольфгангу Паулю и Хансу Демельту, половину Нобелевской премии по физике за 1989 год (подробности см. в их нобелевских лекциях. В 1973 году Вайнленд, Экстром и Демельт сообщили о первых экспериментах с одиночным электроном, плененным в такой ловушке. Демельт придумал для этой системы красивое название «геоний» -- этакий искусственный аналог атома, в котором электрон находится в связанном состоянии с Землей (с помощью ловушки, конечно). Целью этих экспериментов было изучение внутренних характеристик электрона, в частности его аномального магнитного момента, и его сравнение с теоретическими предсказаниями (сейчас такого типа измерения составляют целый отдельный раздел метрологии и квантовой электродинамики).

В той же статье 1973 года была упомянута и возможность поимки отдельных ионов. В отличие от одиночных электронов, ионы интересны тем, что у них есть многочисленные внутренние степени свободы, и, поймав такой ион в ловушке, можно его изучить вдоль и поперек. На пути к этой цели в 1975 году была разработана (в том числе и Вайнлендом) методика доплеровского охлаждения ионов. В этом методе на ионы или атомы светят лазерным лучом с частотой, очень близкой к резонансному рассеянию, но только те из них, которые движутся с большой скоростью навстречу световому лучу, рассеивают свет, теряют энергию и тем самым охлаждаются. Эта методика была реализована в 1978 году в экспериментах группы Вайнленда с ионами Mg+ и в опытах группы Тошека с ионами Ba+. В обоих случаях, правда, это были облачка с несколькими десятками ионов, но спустя пару лет были пойманы отдельные ионы и начато изучение их спектроскопии (работы группы Тошека 1980 года и Вайнленда--Итано 1981 года). В этих статьях было отмечено, кстати, что флуоресцентное свечение одного-единственного иона отлично видно в микроскоп.

В обеих статьях 1980-1981 годов температура иона в ловушке оценивалась в несколько десятков милликельвинов, а это было всё еще многовато для того, чтобы остановить ион (точнее, перевести его в состояние с минимально возможным поступательным движением). Дальнейший прогресс в этой области был связан с новой методикой охлаждения, также разработанной и реализованной Вайнлендом, которая носит название охлаждение по боковой полосе частот (по-английски sideband cooling). На ней стоит остановиться подробнее.

Электронное облако в атоме или ионе имеет большой набор возможных вариантов, как ему «упаковаться» вокруг ядра и как ему организовать спины электронов. Тот вариант, который обладает наименьшей энергией, называется основным состоянием, он стабилен, а варианты с более высокой энергией (возбужденные состояния) спустя некоторое время превращаются в основное состояние с излучением фотона. Кроме того, если атом находится внутри ловушки, то его поступательное движение тоже квантуется, то есть оно тоже может иметь строго определенный вид. У этого движения есть основное состояние, при котором ион практически замирает в центре ловушки (у него остается лишь неустранимое квантовое дрожание, называемое «нулевыми колебаниями»), и целая лестница возбужденных состояний, которые отвечают перемещению туда-сюда со всё большей амплитудой. Энергия возбуждения электронной оболочки на несколько порядков больше энергии возбуждения поступательного движения, и поэтому энергетический спектр иона (в этом грубом приближении) имеет вид, показанный на рис.

Рис. Упрощенная схема энергетического спектра иона: показаны основное и одно возбужденное состояние электронной оболочки, и в обоих случаях отмечены несколько возбужденных состояний поступательного движения

Теперь самое интересное. Физики умеют перебрасывать основное состояние электронной оболочки в возбужденное, причем перебрасывать «прицельно», именно в то возбужденное состояние, которое мы хотим, -- для этого надо просто посветить на атом светом с нужной длиной волны. Оказывается, эта комбинация -- мы возбуждаем атом так, как нам нужно, а он выходит из этого состояния так, как «он привык», -- позволяет охлаждать поступательное движение атомов (рис. 7).

Рис. 7. Идея метода охлаждения по боковой полосе частот. На шаге 1 мы возбуждаем электронную оболочку и слегка уменьшаем поступательное движение. На шаге 2 атом «падает» в основное состояние электронной оболочки, не меняя при этом поступательного движения. Когда мы достигаем низа «лестницы», то ион, находящийся в основном состоянии и электронной оболочки, и поступательного движения, уже никуда не может перейти

Для этого мы берем атом или ион в основном электронном состоянии и с большим поступательным движением и перекидываем его в состояние с возбужденной электронной оболочкой (обычно это просто переворот спина внешнего электрона), но с чуть меньшим поступательным движением. Атом через некоторое время высвечивает фотон и «падает» в основное состояние электронной оболочки, а поступательное движение при этом не меняется. Чистый результат этого двухшагового процесса -- поступательное движение слегка уменьшилось. Повторяя эту процедуру раз за разом, мы можем совсем погасить поступательное движение, «посадив» атом в основное состояние (так что останутся только нулевые колебания). И «сев» в это состояние, атом уже не будет возбуждаться, поскольку ему просто некуда перескакивать.

В практической реализации этой идеи было, конечно, немало технических тонкостей -- в частности, возбужденному атому приходилось «помогать» побыстрее снимать возбуждение, чтобы достичь нужной скорости охлаждения. Напряженная работа в течение нескольких лет позволила Вайнленду с сотрудниками их преодолеть, и в 1989 году вышла статья, рапортующая о достижении основного квантового состояния поступательного движения иона ртути. Правда, в этой статье локализация была достигнута только в поперечной плоскости, а квантованное движение вдоль оси установки было еще недоступно. Однако несколько лет спустя, в 1995 году, группа Вайнленда достигла и настоящей трехмерной локализации отдельного иона в основном квантовом состоянии.

Итак, в 1995 году завершилась -- во многом благодаря достижениям группы Вайнленда -- длившаяся десятилетия эпопея по полной квантовой локализации отдельного иона.

Квантовая информатика как экспериментальная наука

Как только поступательное движение иона в ловушке полностью подчинилось исследователям, сразу были реализованы необычные квантовомеханические ситуации, остававшиеся до этого чисто гипотетическими. В том же 1995 году группа Вайнленда поместила ион в состояние квантовой суперпозиции поступательного движения -- когда ион не стоит на месте и не движется, а одновременно и стоит, и движется (этакая одноатомная версия «кота Шрёдингера»). Для достижения этого использовалась та же методика по перекидыванию состояний между основной и возбужденной энергетическими полосами. Вначале электронная оболочка атома переводилась из чисто основного состояния в состояние суперпозиции основного и возбужденного состояний. «Возбужденная часть» затем «падала» на основное электронное состояние, но с иным поступательным движением. В результате получалось состояние атома с электронной оболочкой в основном состоянии, но с суперпозицией поступательного движения.

Эта работа была важнейшим шагом на пути превращения физики квантовой информации из чисто теоретической в экспериментальную науку. Физики к тому времени уже давно мечтали не просто научиться манипулировать квантовым состоянием внутри отдельного атома, но и передавать эту квантовую информацию от одного атома к другому -- это один из первых шагов на пути к созданию квантового компьютера. Работа группы Вайнленда 1995 года (которая, кстати, называлась «Демонстрация фундаментального квантового логического вентиля») показала, как это можно сделать. Квантовую суперпозицию, которая до сих пор «жила» внутри иона, теперь можно было превратить в нечто «внешнее», в суперпозицию поступательного движения. А это значит, что если неподалеку находится второй такой ион, который неизбежно связан с первым за счет электростатического взаимодействия, то он сможет воспринять ее и превратить ее в свою внутреннюю суперпозицию без потери когерентности (что и было достигнуто в 2003 году). Линейная цепочка таких атомов, зависшая в поле периодической ловушки, тогда сможет выполнять все функции квантового компьютера.

После этого достижения экспериментальные методы в физике квантовой информации (а точнее, в ее ионной реализации) начали развиваться лавинообразно. В 1998 году Вайнленд добился квантового запутывания двух пространственно разнесенных ионов -- опять же через суперпозицию поступательного движения. В 2000-х годах несколько исследовательских групп добились контролируемого квантового запутывания уже нескольких ионов. На сегодня уже реализовано квантовое запутывание 14 ионов, а также многие из логических операций, необходимых для работы квантового вычислителя (см. обзорную статью Блатта и Вайнленда за 2008 год).

Сверхточные часы

Еще на заре развития описанных выше методов было ясно, что пленение и квантовый контроль отдельных ионов может иметь и далеко идущие практические применения. С одной стороны, глубоко охлажденные одиночные квантовые частицы могут стать сверхчувствительным сенсором внешних возмущений. С другой стороны, использование тех атомных переходов, которые малочувствительны к внешним возмущениям, позволит создать новый сверхстабильный стандарт частоты. Группа Вайнленда сейчас работает, среди прочего, и над этой задачей, используя всё те же плененные ионы. Два года назад, например, они сообщили о создании оптических часов, темп хода которых был измерен с относительной точностью 10-17. Сейчас в литературе уже обсуждается точность хода на уровне 10-18 и лучше.

Практическая польза от сверхточного стандарта частоты в том, что он позволяет замечать и использовать для практических целей исключительно слабые физические эффекты. Ярким примером тут является еще одна статья группы Вайнленда двухлетней давности, благодаря которой эффект общей теории относительности может найти применение в геодезии и гидрологии благодаря использованию сверхточных атомных часов. Дело тут в том, что, согласно общей теории относительности, время течет по-разному в гравитационном поле разной напряженности. При удалении от поверхности Земли гравитационное поле начинает ослабевать, и поэтому скорость хода часов, расположенных на разной высоте, будет отличаться. Группа Вайнленда сообщает, что ей удалось заметить это расхождение при разнице высот меньше 1 метра!

Такая тесная связь между разными разделами физики и их неожиданный выход на практические приложения -- характерная черта современной науки. И если уж говорить о практической пользе фундаментальной физики, то работы нынешних нобелевских лауреатов лишний раз подтверждают справедливость тезиса: с помощью фундаментальной науки мы находим и используем на практике новые природные явления, до которых мы бы просто не смогли догадаться сами, застряв в рамках «инновационных» или «рационализаторских» предложений, основанных на старой физике.

Квазикристаллы. Нобелевская премия по химии 2011 года.

Присуждение Нобелевской премии по химии физикам и за «чисто физические» исследования не редкость. Достаточно вспомнить М.Склодовскую-Кюри, ее дочь И.Кюри и зятя Ф.Жолио. Великий физик Э.Резерфорд шутил, что ему известно только одно мгновенное химическое превращение, когда он превратился из физика в химики при присуждении ему Нобелевской премии. Так случилось и в 2011 году.

Израильский химик Даниэль Шехтман (Daniel Shechtman) родился в Тель-Авиве в 1941 году. В 1966 году в Технионе он получил степень бакалавра, в 1968 году -- магистра, а в 1972 году -- доктора философии. После получения степени доктора философии Шехтман в лаборатории AFRL при авиабазе Райта-Паттерсона в штате Огайо, США, три года изучал свойства алюминидов титана. В 1975 году он устроился на факультет материаловедения в Технионе. В 1981-83 годы Шехтман находился в творческом отпуске в Университете Джонса Хопкинса, где он совместно с институтом НИСТ занимался изучением быстроохлаждённых сплавов алюминия с переходными металлами. Результатом этих исследований стало открытие икосаэдрической фазы и последующее открытие квазипериодических кристаллов. В 1992-94 годы Шехтман находился в творческом отпуске в НИСТе, где занимался изучением влияния дефектных структур кристаллов, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы, на их рост и свойства. В 1996 году Шехтман был избран членом Израильской Академии Наук, в 2000 году -- членом Национальной Технической Академии США, в 2004 году -- членом Европейской Академии Наук. В 2011 Даниэль Шехтман был награжден Нобелевской премией по химии за "открытие квазикристаллов".

Лауреата Нобелевской премии по химии в 2011 году Даниэля Шехтмана можно смело поставить в один ряд с Эйнштейном и Планком. Его открытия перевернули мир. Что же он открыл? Квазикристаллы. Появление в научной среде квазикристаллов вызвало не меньший резонанс, чем появление специальной теории относительности и квантовой теории.

Даниэль Шехтман родился в Тель-Авиве. Все его научные достижения связаны с Технионом (Израильский Технологический институт). Его альма-матер. Даже, несмотря на то, что главное открытие его жизни было сделано за пределами Израиля.

После получения учёной степени Шехтман отправился покорять Америку. И ему это почти удалось. Ведь он работал в таких местах, как Университет Джона Хопкинса, Национальный институт стандартов, Исследовательская лаборатория ВВС США. Именно в Исследовательской лаборатории ВВС Даниэль Шехтман открыл существование квазикристаллов. Но его открытие меняло представление о кристаллах, поэтому ему пришлось выслушивать насмешки. А кроме насмешек Даниэля Шехтмана попросили покинуть лабораторию. Ему ничего не оставалось, как вернуться в Израиль, что он и сделал.

Вернувшись в свою альма-матер, Шехтман опубликовал полученные результаты. И это открытие перевернуло мир. Открытие было сделано в 1982 году, но премия нашла своего обладателя лишь в 2011. Конечно, с тех пор утекло много воды. Да и квазикристаллы стали использоваться в промышленности. Может быть, именно поэтому премия нашла своего героя только сейчас.

После открытия квазикристаллов Шехтман решил заняться осаждением кристаллов из газовой фазы, для этого он снова вернулся в США, где устроился в лабораторию при Национальном институте стандартов. В 2004 году Шехтман решил перебраться в Лабораторию Эймса в Университете Айовы, где он и проводит свои исследования в настоящий момент. Основной областью научных изысканий Шехтмана является материаловедение, поэтому не удивительно, что его хобби является изготовление ювелирных изделий. Одним из его последних клиентов был король Швеции Карл XVI Густав.

Как известно, все природные вещества представлены кристаллами с геометрически упорядоченной пространственной структурой. При этом, осей симметрии 5-го, 7-го и более высокого порядка не существует. Это написано в любом учебнике по физике твердого тела - см. например, Л.Д.Ландау и Е.М. Лифшиц том V параграф 130, в котором доказывается соответствующая теорема. Шехтман, исследуя квазикристаллы на основе быстро охлажденных сплавов AlMn, обнаружил для них оси симметрии 7-го, 8-го, 10-го, 12-го порядков. Такие вещества обладают также высокой твёрдостью, что позволяет их использовать в производстве сверхпрочных сталей, а также у квазикристаллов отсутствует липкость, что позволяет использовать иглы с квазикристаллическим покрытием для проведения операций на глазах. Вот так открытие Шехтмана изменило мир. Теперь операции на глазах стали более безопасными, а также удалось получить сверхпрочные сплавы, которые имеют высокую прочность из-за неупорядоченной структуры, т.е. в математическом понятии структура упорядочена, но геометрическая симметрия отсутствует.

Даниэль Шехтман открыл квазикристаллы при наблюдении в микроскопе за структурой алюминиево-марганцевых сплавов, полученных сверхбыстрым охлаждением, скорость охлаждения составляла около 106 К/с. Это очень быстро, поэтому и удалось получить несимметричную структуру. Квазикристаллы имеют довольно высокую стоимость, даже несмотря на то, что цена на металлический алюминий довольно невысокая, да и не из любых веществ их можно получить. Для получения квазикристаллов требуется перитектика, но не все металлические системы обладают таким свойством. Такое свойство имеется лишь у некоторых соединений веществ. Квазикристаллы довольно сложно получить, потому что состав твёрдой и жидкой фазы значительно отличается. Казалось бы, благодаря этому квазикристаллов не может существовать в природе, но это не так, квакристаллы были обнаружены в 2009 году в Корякском нагорье в России, и они состояли из трёх элементов - меди, железа и алюминия.

Глава 5. История ядерной физики

Деление ядер. В 1934 г. Э.Ферми с сотрудниками в физическом институте Римского королевского университета поставили эксперименты по облучению нейтронами ядер различных элементов. В результате появлялись как стабильные, так и нестабильные изотопы, проявляющие бета-минус (электронный) распад. Данное явление было названо искусственной радиоактивностью. Впоследствии Э.Ферми обнаружил явление замедления нейтронов и построил его теорию (Нобелевская премия по физике 1938 г.), а также открыл в 1936 г. селективное поглощение нейтронов. Эти экспериментальные работы Э.Ферми с сотрудниками (Э.Амальди, Б.Понтекорво, Ф.Разетти, Э.Сегре) положили начало нейтронной физики. Одновременно Э.Ферми была высказана также идея о возникновении в результате облучения урана нейтронами новых заурановых элементов. До открытия деления ядер оставалось сделать лишь один шаг. Однако условия в Италии стали невозможными для жизни и научной деятельности, поэтому в 1938 г. Э.Ферми и его ученики эмигрируют в США.

Временный перерыв в исследованиях Э.Ферми использовали Ф.Жолио и И.Кюри в Коллеж де Франс, а также О.Ган, Л.Мейтнер и Ф.Штрассман в институте Далема в Германии. Вскоре И.Кюри и П.Савич сообщили, что при облучении урана нейтронами образуется торий. Но Л.Мейтнер повторила эти эксперименты и тория не обнаружила. Открытие оказалось ошибочным. Однако следующая работа Кюри и Савича, выполненная в 1938 г., была более значимой. В ней сообщалось, что облучение урана медленными нейтронами вызывает появление элемента с периодом полураспада Т=3,5 часа, который осаждался совместно с лантаном. Это утверждение не было в дальнейшем развито французскими физиками, вследствие убеждения в том, что ядерные реакции всегда приводят к образованию изотопов исходного элемента или соседних с ним элементов. При облучении урана таковыми должны быть трансураны. Тем не менее, результаты Кюри и Савича придали новый импульс исследованиям группы из Далема. В том же году Ганн и Штрассман повторили опыты Кюри и Савича и показали, что радиоактивность с периодом полураспада Т=3,5 часа обусловлена барием, при распаде которого возникает лантан.

Первое уверенное суждение о наличии бария среди продуктов реакции встречается в статье Гана и Штрассмана, поступившей в редакцию «Naturwissenschaften» 22 декабря 1938 г. Однако в статье Гана и Штрассмана не было никаких указаний о расщеплении или делении урана. К этой интерпретации экспериментов пришла Л.Мейтнер, узнавшая о их результатах от О.Фриша (в это время она уже эмигрировала из Германии, но продолжала живо интересоваться работой коллег). Возможность расщепления ядра урана нейтронами высказывается в письмах О.Фриша и Л.Мейтнер от 1и 3 января 1939 г. О.Гану и Ф.Штрассману, а также в письме от 16 января 1939 г. в редакцию журнала «Nature»: «Представляется возможным, что ядро урана имеет небольшую устойчивость формы и может после захвата нейтрона на два ядра примерно одинаковой формы… вследствие высокого отношения числа нейтронов к числу протонов осколки должны быть-радиоактивными». В качестве физического объяснения деления урана Мейтнер и Фриш указали на взаимное отталкивание протонов в тяжелых ядрах, вызывающих неустойчивость таких ядер, при одновременном наличии других сил, удерживающих составные части ядра вместе. Если сообщить такому ядру небольшую энергию извне, например, при облучении нейтронами, то это вызовет деформацию ядра, обусловленную тем, что короткодействующие ядерные силы не могут противостоять силам отталкивания, которые медленно ослабевают с расстоянием. В результате ядро распадается на две части, кинетическая энергия которых зависит от массы осколка. Таким образом, если экспериментально деление урана открыто О.Ганом и Ф.Штрассманом (несомненно, что окончательные доказательства эффекта получены благодаря их радиохимическим исследованиям), то первое физическое объяснение делению дано Л.Мейтнер и О.Фришу. (С этой точки зрения, не вполне понятным является присуждение одному только О.Гану Нобелевской премии по химии в 1944 г.)

С наибольшей вероятностью деление происходит на два осколка с массами 96-98 и зарядом 42 (цирконий) для одного осколка и с массами 132-136 и зарядом 52 (теллур) для второго. Вероятность деления на три осколка примерно в пятьсот раз меньше вероятности деления на два осколка. Образующиеся осколки перегружены нейтронами и испытывают - распад, либо непосредственно излучают нейтроны. Эти нейтроны, которые носят название запаздывающих, играют чрезвычайно важную роль, позволяя обеспечить управление цепной реакцией деления в ядерных реакторах, ибо среднее время запаздывания (более 10-2 секунды), оказывается гораздо больше времени деления (10-8 сек). Испускается шесть групп запаздывающих нейтронов с временами запаздывания 0,2 - 55,7 сек и монохроматическими энергиями 0,25 - 0,42 МэВ.

Энергия, выделяющаяся при делении ядра урана, составляет примерно 200 МэВ. При этом кинетическая энергия осколков составляет 164 МэВ и очень быстро превращается в тепловую. Энергия вторичных нейтронов, которых образуется от двух до семи, составляет около 6 МэВ и может быть использована для осуществления последующих циклов деления. Энергия радиоактивного распада осколков составляет около 22 МэВ (-распады в осколках - до двух в меньшем и до пяти в большем осколке, приводят к появлению высокоактивных отходов ядерных реакторов и необходимости их захоронения). Наконец, энергия гамма-квантов (от двух до десяти на каждый акт деления) составляет около 8 МэВ. Гамма-кванты таких энергий обладают высокой проникающей способностью, что наряду с чрезвычайно большими потоками нейтронов от ядерного реактора требуют чрезвычайно толстой, а, следовательно, и массивной защиты, а это не позволяет использовать ядерные энергетические установки в железнодорожном и воздушном транспорте.

Кроме деления под действием нейтронов (вынужденного) существует самопроизвольное (спонтанное) деление, исследованное в Ленинградском физико-техническом институте учениками И.В.Курчатова К.А.Петржаком и Г.Н.Флеровым в 1939-40 гг. Для этого была создана делительная камера, в виде многослойного конденсатора с общей площадью пластин около 1000 см2, на которые шеллаком наклеивался тонким слоем урановый концентрат. В 1940 году удалось изготовить камеру с площадью пластин 6000 см2, что позволило увеличить ее чувствительность в 200 раз по сравнению с существовавшими за рубежом. Для устранения влияния фона от транспорта и космических лучей установку вынесли за пределы Ленинграда, а затем провели эксперименты на станции Динамо в Московском метрополитене на глубине около 60 метров (180 метров водного эквивалента). В этих условиях фон космического излучения уменьшался на 95%. Работали в основном ночью: тихо, поезда не искрят, никто не мешает. Многочисленные контрольные измерения позволили установить существование спонтанного деления урана-238 и оценить его период полураспада 0,81016 лет. Таким образом, в 1 г урана происходит около 25 делений в секунду. Период полураспада по отношению к спонтанному делению у урана-235 существенно больше, хотя он существенно легче делится под действием нейтронов. В последствии спонтанное деление было открыто и у других элементов, причем для тяжелых трансуранов оно представляет основной тип распада с очень малым средним временем жизни.

Механизм деления был объяснен Н.Бором и А.Уиллером, а также независимо Я.И.Френкелем. Определяющую роль в этом играет зависимость энергии связи ядра от заряда и массового числа. Короткодействие ядерных сил и их насыщение приводят к тому, что в ядре, как и в капле жидкости энергия связи зависит от объема ядра, т.е. от числа нуклонов А, но у нуклонов на поверхности ядра, в отличие от внутренних нуклонов, часть связей не использована и возникает аналог поверхностного натяжения, энергия которого уменьшает энергию связи ядра пропорционально А2/3. Кулоновское взаимодействие протонов свойством насыщения не обладает (любой протон в ядре может взаимодействовать с любым другим) и его энергия уменьшает энергию связи ядра пропорционально Z2/A1/3 , т.е. прямо пропорционально числу пар протонов и обратно пропорционально радиусу ядра. Таким образом, кулоновское взаимодействие старается развалить ядро и является причиной его деформации, а также и деления, тогда как поверхностное натяжение стягивает ядро, препятствуя делению. Когда извне в ядро попадает нейтрон, его энергия не локализуется, а быстро перераспределяется между всеми нуклонами, так что ядро начинает совершать колебания с изменением формы, превращаясь последовательно из сферы в вытянутый и сплющенный эллипсоид вращения. Силы отталкивания приводят к появлению деформаций высших порядков (перетяжек) и ядро делится, в случае преобладающих сил поверхностного натяжения колебания успокаиваются и ядро остается деформированным. Энергия необходимая для деления ядра внешним нейтроном носит название энергия активации и для ядер урана-235, а также трансуранов она настолько мала, что деление может осуществляться нейтронами произвольных энергий, напротив деление урана-238 возможно только быстрыми нейтронами. Вследствие того, что в процессе деления испускается несколько нейтронов, теоретически возможной становится самоподдерживающаяся цепная реакция деления. Теория таких реакций была разработана Я.Б.Зельдовичем и Ю.Б.Харитоном в 1939-40 гг. В связи с началом Великой Отечественной войны из печати в Успехах физических наук успела выйти только первая часть работы, что случилось к лучшему, ибо сведения, содержащиеся во второй части статьи существенно облегчили бы работу над созданием ядерного оружия немецким физикам.

Концепция использования самоподдерживающей цепной реакции деления в ядерных боеприпасах и энергетических установках (ядерных реакторах) была высказана Ф.Жолио. Им же в 1940 г. были получены пять патентов на эти установки. Несмотря на то, что эти патенты не содержали конкретных деталей устройств, сам факт патентования имел существенное значение для развития атомных проектов, особенно английского.

Подробные расчеты ядерных реакторов и их физическое устройство весьма сложны, поэтому мы ограничимся кратким изложением основных идей, отсылая читателя интересующегося подробностями к специальной литературе.

В активной зоне реактора происходит самоподдерживающаяся реакция деления в стационарном режиме. Кинетическая энергия осколков превращается в тепло, которое отводится водой для реакторов на медленных нейтронах или жидким металлом - для реакторов на быстрых нейтронах. Через теплообменник энергия передается парогенератору и превращается электричество, при этом к.п.д. составляет около тридцати пяти процентов, например, для водо-водяного энергетического реактора ВВЭР-1000 (замедлитель и теплоноситель обычная вода) тепловая мощность составляет 3 ГВт, а электрическая 1 ГВт.

Из двух природных изотопов урана уран-238 делится только быстрыми нейтронами и из общего числа нейтронов деления (в среднем в каждом акте образуется нейтронов), по крайней мере, половина имеет энергию ниже порога деления. Сечение деления урана-238 около =0,5 барн, тогда как сечение неупругого рассеяния - несколько барн. Таким образом, коэффициент размножения (отношение числа нейтронов в некотором цикле реакции к числу нейтронов в предшествующем цикле) в среде из чистого урана-238 k равный произведению среднего числа нейтронов «рожденных» в одном цикле на отношение сечения деления к сечению неупругого рассеяния меньше единицы, т.е. самоподдерживающая цепная реакция в такой среде не возможна. Аналогично, в среде из урана природного состава самоподдерживающая цепная реакция также не возможна, поскольку нейтроны замедляясь в столкновениях с ядрами урана будут захватываться в резонансной области ураном-238, не успев замедлиться до тепловых энергий, при которых сечение деления урана-235 превышает сечение радиационного захвата ураном-238. Поэтому для реализации самоподдерживающей цепной реакции в активную зону ядерного реактора необходимо вводить замедлитель. Не вдаваясь в подробности теории замедления нейтронов, развитой Э.Ферми, отметим лишь, что эффективность замедлителя определяется массой его ядер (чем меньше масса, тем больше потери энергии в одном столкновении), длиной диффузии нейтронов и длиной замедления. Лучшими замедлителями являются тяжелая вода, графит и легкая вода. (Пригоден также бериллий, но он практически не используется вследствие высокой токсичности). Самоподдерживающаяся цепная реакция возникает в гомогенном растворе сульфата уранила с природным содержанием урана-235 в тяжелой воде, с соотношением 1000 молей тяжелой воды на 1 моль сульфата уранила. Однако в силу высокой стоимости тяжелой воды, а главное, высокой химической активности растворов урана в тяжелой воде гомогенные реакторы используются только как исследовательские и число их невелико. В подавляющем большинстве реакторов и, прежде всего, в энергетических, используется гетерогенная компоновка, в которой ядерное горючее заключается в циркониевую оболочку ТВЭЛа, сборки ТВЭЛов помещаются в замедлитель. В энергетических реакторах в качестве ядерного горючего используется обогащенный уран. Помимо других преимуществ это не позволяет нарабатывать в таких реакторах оружейный плутоний. В отработанном топливе содержится смесь изотопов плутония, которая при имплозии вместо взрыва дает лишь мягкую вспышку. Для уран-графитовых реакторов (типа РБМК-1000) обогащение составляет 1,5-2,5%, для водо-водяных реакторов (типа ВВЭР-1000) - 2,5-3,5%, для реакторов на быстрых нейтронах (типа БН-600) - 25-35%.