|
Атомные часы нового поколения
|
|
|
|
Исследователи из США и Германии представили теоретический проект атомных часов, приводимых в движение высокосинхронизированным лазером, в котором атомы работают согласованно, а не независимо друг от друга. Опубликовав свои результаты в журнале Physical Review Letters, Джеррод Рейли из Университета Колорадо, Саймон Егер из Боннского университета и их коллеги из США и Германии возродили идею, впервые предложенную в 1990—х годах, - возможно, наметив путь к созданию лазеров с самой узкой шириной линии, когда-либо созданных.
|
|
Сверхизлучающие лазеры и атомные часы
|
|
|
|
В обычном лазере зеркальный резонатор пропускает свет между атомами, создавая яркий когерентный луч. Сверхизлучающий лазер работает по-другому: вместо того, чтобы полагаться на резонатор для поддержания когерентности, атомы сами действуют как отдельные скоординированные излучатели, коллективно синхронизируя свое световое излучение.
|
|
|
|
Следуя ранним теоретическим идеям, появившимся в 1990-х годах, концепция не получила конкретного развития до 2008 года, когда исследователи из Университета Колорадо предположили, что сверхизлучающие лазеры могут служить новым видом атомных часов.
|
|
|
|
Атомные часы работают с использованием лазерного излучения для определения очень точного перехода в атоме, заставляя электроны перемещаться между энергетическими уровнями с необычайно стабильной частотой. Поскольку сверхизлучающий лазер сохраняет свою когерентность в атомах, а не в резонаторе, его выходная частота гораздо менее уязвима к воздействиям окружающей среды, таким как вибрации или колебания температуры.
|
|
|
|
|
|
|
Как объясняет Рейли, "Сверхизлучающие лазеры столь перспективны для использования в качестве атомных часов нового поколения, потому что они имеют невероятно малую ширину линии (небольшую неопределенность в частоте) и очень нечувствительны к ошибкам синхронизации из-за небольших изменений частоты излучения часов в окружающей среде".
|
|
|
|
Однако, несмотря на то, что эта концепция была впервые экспериментально продемонстрирована в 2012 году в импульсном режиме, влияние нагрева до сих пор сдерживало использование сверхизлучающих лазеров в полной мере.
|
|
|
|
Чтобы лазер работал непрерывно, как того требуют атомные часы, атомы должны постоянно пополняться энергией. При этом, атом за атомом, генерируются случайные импульсы, которые нагревают атомный образец и нарушают процесс генерации, ограничивая его короткими импульсами, а не постоянным лучом.
|
|
Это повышает уровень энергии
|
|
|
|
В своем исследовании команда Рейли рассмотрела вопрос о том, может ли модификация более ранних теоретических концепций сделать непрерывный лазер подходящим для атомных часов. Почти во всех предыдущих исследованиях атомы рассматривались как простые двухуровневые системы: электрон, находящийся в основном состоянии, время от времени переходит в возбужденное состояние и обратно. Команда предположила, что проблему нагрева можно решить, добавив к картине еще одно основное состояние.
|
|
|
|
В двухуровневой системе, если процессы накачки (повторного включения) и затухания происходят совместно через резонатор, математика ограничивает систему таким образом, что это препятствует стабильной и непрерывной генерации. Но при наличии трех уровней накачка и затухание могут осуществляться на совершенно отдельных переходах, что устраняет это ограничение и позволяет использовать коллективный подход.
|
|
|
|
"При таком дополнительном уровне между различными состояниями могут происходить коллективный спад и коллективная накачка", - объясняет Рейли. "Это позволяет нам преодолеть проблемы, связанные с моделью 1990-х годов, и при этом по-прежнему использовать коллективную накачку, которая вызывает гораздо меньший нагрев, чем в схемах накачки одиночными частицами".
|
|
Самый узкий лазер из когда-либо существовавших?
|
|
|
|
Проведя теоретические расчеты с использованием параметров, относящихся к элементу барию, команда обнаружила, что их схема позволяет создавать лазер с шириной линии (показателем того, насколько точно определена его частота) около 100 микрогерц. Это была бы самая узкая ширина линии, когда-либо достигнутая для оптического лазера, соответствующая длине когерентности (как далеко достигает лазерный луч, прежде чем выйти из фазы), простирающейся от Солнца до орбиты Урана.
|
|
|
|
Команда также исследовала, насколько чувствительна частота лазера к внешним возмущениям. Это свойство, известное как "вытягивание резонатора", описывает, насколько сильно выходная частота притягивается к собственной резонансной частоте резонатора. Обычные лазеры очень чувствительны к этому эффекту: более ранние схемы сверхизлучения значительно снижали его, но трехуровневый подход Рейли работает еще лучше.
|
|
|
|
"В нашей схеме, благодаря ее многоуровневой природе, мы обнаружили, что можем изменять напряжение резонатора от положительного к отрицательному почти линейным образом", - описывает он. "Это означает, что мы можем настроить растяжение полости так, чтобы оно было на порядки меньше, чем это было возможно ранее, включая момент, когда растяжение полости теоретически достигает нуля".
|
|
|
|
Последствия этого результата могут выйти далеко за рамки хронометража. Лазер, невосприимчивый к изменениям частоты окружающей среды, стал бы мощным инструментом в оптической интерферометрии, использующей интерференционные картины света для проведения сверхточных измерений.
|
|
|
|
"Наш сверхизлучающий лазер может быть использован в оптической интерферометрической установке", - говорит Рейли. "Это потенциально может быть использовано для создания детекторов гравитационных волн, нечувствительных к окружающей среде, так что сдвиг частоты будет вызван исключительно искривлением пространства-времени гравитационной волны".
|
|
|
|
Поскольку их схема полностью основана на коллективном поведении атомов, команда также отмечает, что она может открыть путь к созданию активных ядерных часов, которые используют переходы внутри атомного ядра, а не его электронов. В случае реализации их подход может проложить путь к созданию самых точных хронометристов из когда-либо созданных.
|
|
|
|
Источник
|
