CC BY
39
Д НОВОСТИ НАУКИ
СДЕЛАНО В СО РАН
Новое время
В Институте лазерной физики СО РАН (Новосибирск) ведутся пионерные исследования по созданию нового поколения стандартов частоты на основе высокостабильных лазеров и ультрахолодных атомов. Сверхузкие линии поглощения охлажденных и локализованных с помощью лазерного излучения атомов щелочно-земельных элементов позволят в ближайшем будущем разработать первичный эталон одной из основных физических величин - времени.
Измерения различных величин лежат в основе всей современной науки и техники. Измерять - значит сравнивать некую величину с эталоном (стандартом). Без эталонов невозможно проводить точные измерения.
Стандарты частоты в этом ряду занимают особое место. Они играют важнейшую роль как в фундамен-
Первая в России магнитооптическая ловушка для щелочно-земельных атомов разработана в СО РАН. На основе подобных устройств будут созданы стандарты частоты нового поколения
тальных научных исследованиях, так и в различных метрологических и навигационных приложениях. Это связано в первую очередь с тем, что стандарты частоты, реализующие с 1967 г. эталон одной из основных единиц системы СИ - секунды, на много порядков более точные по сравнению с другими эталонами.
В настоящее время первичный стандарт частоты строится на основе стабильного перехода (9,2 ГГц) между подуровнями сверхтонкой структуры атома цезия-133. На этом стандарте базируется международная шкала атомного времени TAI.
Атомные стандарты частоты микроволнового диапазона получили широкое распространение в навигационных системах GPS и ГЛОНАСС, где компактные цезиевые и рубидиевые устройства с относительной точностью 10~13 (уход частоты за сутки) установлены на каждый из спутников системы, а водородные - с долговременной стабильностью около Ю-14 - на наземные станции слежения. Высокая точность определения координат с помощью этих навигационных систем достигается в значительной степени благодаря точности частоты.
Заметим, что прецизионность цезиевого стандарта увеличилась по сравнению с его первой реализацией на 5 порядков (!) и приблизилась, по всей видимости, к своему пределу. Достигнутая на сегодня точность порядка 4-10-16 для стационарных установок с использованием «фонтана» холодных атомов ограничивается фундаментальными физическими причинами, такими как сдвиг частоты за счет столкновений атомов, теплового излучения, гравитационный сдвиг и т. д.
Дальнейшее увеличение точности специалисты связывают с уходом из микроволнового диапазона в оптический. Важным преимуществом оптических стандартов является их потенциально большая стабильность за короткие времена (0,1 -100 с), что должно позволить существенно быстрее проводить измерения. В качестве реперов предполагается использовать узкие резонансы в спектрах поглощения ультрахолодных (температура около 1 микрокельвина) и локализованных (захваченных) в электромагнитные и оптические ловушки одиночных ионов и ансамблей нейтральных атомов.
Актуальность этих исследований существенно возросла в связи с прогрессом в области оптических синтезаторов частот на основе фемтосекундных* лазеров. Методы охлаждения и локализации атомов с помощью лазерного излучения успешно развивались в течение последних двух десятилетий. При использовании «медленных» атомов устраняются или значительно уменьшаются систематические погрешности, обусловленные движением атомов, и существенно увеличивается время взаимодействия атомов с излучением, что приводит к сужению линий поглощения в спектре.
Как замедлить атом? Простейший механизм - сила спонтанного светового давления. При поглощении атомом лазерного излучения, направленного ему навстречу, за один цикл поглощения и последующего спонтанного излучения атом в среднем получает импульс в направлении, противоположном его движению. Иными словами, он тормозится. Несмотря на то что в одном цикле скорость меняется на незначительную величину - несколько сантиметров в секунду, в то время как первоначальные скорости составляют сотни метров в секунду, из-за высокой скорости оптических переходов (108-109 циклов в секунду) тепловые атомы замедляются очень эффективно.
Весьма перспективной является геометрия из шести лазерных лучей в трех взаимно перпендикулярных направлениях с отстройкой частоты в «красную» сторону относительно резонансной. Дополнительно в системе необходимо создать магнитное поле определенной конфигурации, которое также способствует локализации атомов. Такое устройство получило специальное название - магнитооптическая ловушка (МОЛ). Благодаря механизму спонтанного светового давления часть атомов, «загружаемых» в ловушку из термического пучка, будет замедляться, охлаждаться и локализоваться в геометрическом центре МОЛ.
Особый интерес для создания нового поколения оптических стандартов частоты представляют атомы щелочно-земельных элементов - магния, кальция, стронция и иттербия, имеющие узкие линии поглощения. В Институте лазерной физики СО РАН мы сделали упор на исследования ультрахолодных атомов магния. Высоковакуумная камера МОЛ, разработанная
Схема магнитооптической ловушки. Токопроводящие кольца с разнонаправленными токами создают нужную конфигурацию магнитного поля. «Загружаемые» из теплового пучка атомы магния локализуются и охлаждаются в центре ловушки, где пересекаются шесть лазерных лучей с круговыми поляризациями (Я - правые, - левые)
совместно с Институтом физики полупроводников СО РАН, позволяет получать давление остаточных газов менее 10 8 Па. Уникальная лазерная система выдает перестраиваемое по частоте непрерывное узкополосное излучение в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны 285 нм.
В результате экспериментов исследователям удалось получить облако из 105-106 атомов магния при температуре 3-4 милликельвина. Линейный размер атомного облака - около 0,5 мм. Следует подчеркнуть, что это первая в России реализация магнитооптической ловушки для щелочно-земельных атомов.
Сейчас в ИЛФ идет работа по дальнейшему охлаждению атомов магния - до Ю-5 К. Ученые надеются достичь успеха, захватывая атомы в так называемых оптических решетках, т. е. в узлах или пучностях стоячей электромагнитной волны. Это позволит полностью устранить влияние остаточного движения атомов на точность разрабатываемого стандарта частоты, которая должна выйти на уровень Ю-17-Ю-16.
К. ф.-м. н.А.Н.Гончаров (Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск)
* 1 фс = Ю-15 с
