Началась разработка лазера с шириной спектра менее одного герца

Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений приступили к решению немыслимой ранее задачи

Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений приступили к решению немыслимой ранее задачи  — созданию уникального лазера с шириной спектра менее одного герца.

Частота его составит 500 терагерц (5×1014 колебаний в секунду), а электронная стабилизация по специальному резонатору позволит добиться стабильности на уровне менее одного «неправильного» колебания в секунду. Луч такого лазера можно послать на Луну и получить обратно, причём он сохранил бы свою когерентность и позволил бы наблюдать интерференцию. В прикладном аспекте такие характеристики будут использованы прежде всего при работе со стандартами частоты. Кроме того, возникают совершенно новые возможности при передаче частот. Это может быть сверхстабильная синхронизация приёмника-передатчика, особенно при больших потоках информации, без применения синхронизирующих импульсов. Или, например, настройки для считывания сигналов ускорителя частиц с очень высоким синхронным временным разрешением.

В основе такого устройства лежит процесс лазерного охлаждения, то есть замедления атомов в лазерном поле. Находящиеся в постоянном движении атомы рассеивают фотоны. Именно поэтому свет (поток фотонов) воздействует на атомы. А если частота его излучения правильно настроена относительно перехода в атоме, частица, попавшая в такой специально подготовленный свет, замедляется. Она «вязнет» в световом потоке, тормозится и, соответственно, охлаждается до очень низких температур. Существенно ниже тех, что удается получить любым другим способом, например, в криостатах. Установка лазерного охлаждения — это вакуумная камера, в которую с шести сторон направлены лазерные пучки, ведь для охлаждения атом надо затормозить по всем трём возможным направлениям движения. Горячие атомы запускаются в камеру либо в виде пара, либо как пучок. После охлаждения облачко из холодных и пойманных атомов, парящих в вакууме («левитирующих»), выглядит как светящаяся точка. Можно менять количество атомов в облачке от единиц до нескольких миллионов. При отключении излучения лазеров облачко начинает падать под действием силы тяжести. «Если охлаждать (при помощи холодильника) газ, он превратится сначала в жидкость, а затем в тв ёрдое тело, — напоминает школьный урок сотрудник ФИАНа доктор наук Николай Колачевский. — А у твёрдого тела совершенно другие характеристики по сравнению с отдельными атомами: из-за сильных взаимодействий в решётке вместо тонких уровней возникают зоны, и свойства меняются радикальным образом. Поэтому для решения задачи глубокого охлаждения отдельных частиц криостаты не подходят. Кроме того, предельно достижимые температуры, которые обеспечивают современные криостаты, — около 0,05 К. А в задачах лазерного охлаждения речь идет о микрокельвинах, то есть на три порядка ниже. Охлажденные атомы представляют собой разреженный газ в управляемом режиме, что дает возможность наблюдать ряд специфических эффектов (например, переход в Бозе-конденсированное состояние), изучать квантовую природу этих атомов, а также использовать их в ряде прикладных задач ».

Охлаждение нового элемента (а из таблицы Менделеева охлаждена лишь небольшая часть)  — отдельная исследовательская работа, ведь у каждого элемента свои специфические уровни энергии, что требует использования лазеров с определёнными характеристиками. Такая работа всегда отмечается в профессиональном сообществе. В ФИАНе, к примеру, был впервые охлажден лантаноид тулий. Для этих исследований есть прикладные задачи, например, связанные с развитием программ ГЛОНАСС и прецизионным позиционированием. Но основное — метрология. Самые точные эталоны частот, самые точные в мире часы базируются сегодня на холодных атомах. Наибольший исследовательский интерес в этой области, по словам Николая Колачевского, представляют оптические стандарты. Например, цезиевый фонтан — установка для стандартов частоты, в которой облако холодных атомов цезия подбрасывается вверх и проходит через радиочастотный резонатор лазерного охлаждения, — работает в радиочастотном диапазоне, на мазерном переходе. Если же добиться повышения несущей частоты, можно повысить стабильность и точность, что и достигается в оптических стандартах, базирующихся на лазерных переходах в холодных атомах.

compulenta.ru