Американские и немецкие физики обновили концепцию лазера, разработанную тридцать лет назад. Это открытие может изменить подход к тому, как человечество измеряет время.
Лазеры бывают обычные и суперрадиационные, и они работают принципиально по-разному. Обычный лазер формирует пучок света с помощью зеркальной полости, которая «раскачивает» фотоны между атомами. В суперрадиационном лазере частицы сами синхронизируют свои колебания и действуют как единый согласованный источник.
Благодаря этому частота излучения сохраняется в самих атомах, а не в резонаторе, и гораздо меньше зависит от внешних воздействий: вибраций, перепадов температуры, механических шумов. Идея была предложена еще в 1990-х, практически проверена в 2012 году, однако полноценного непрерывного режима работы физикам достичь так и не удалось.
Проблема нагрева и ее решение
Чтобы лазер работал как часы, он должен излучать фотоны непрерывно, а для этого атомы нужно постоянно «подпитывать» энергией. Если накачивать каждую частицу по отдельности, это приводит к хаотическим толчкам, которые нагревают систему и нарушают синхронизацию.
Джаррод Рейли и его коллеги предложили добавить третий энергетический уровень к классической двухуровневой модели. Это позволяет разделить процессы накачки и излучения на разные переходы: коллективная синхронизация сохраняется, а нагрев существенно уменьшается.
Самая узкая линия в оптике
Теоретические расчеты для атомов бария показали: такое устройство может достичь ширины линии — то есть точности определения частоты — около 100 микрогерц. Это рекордный показатель для оптической отрасли.
Длина когерентности соответствующего пучка — расстояние, на котором свет остается в фазе, — охватывает пространство от Солнца до орбиты Урана, то есть около 2,7 млрд км. Кроме того, исследователи обнаружили, что нежелательное влияние резонатора на выходную частоту лазера можно настраивать и теоретически свести к нулю.
Использование вне часов
Если эту концепцию удастся реализовать на практике, такой прибор станет полезным и для оптической интерферометрии — метода сверхточных измерений. Авторы предполагают, что он может повысить чувствительность детекторов гравитационных волн: если частота устройства не реагирует на внешнюю среду, любой зафиксированный сдвиг будет свидетельствовать исключительно об искривлении пространства-времени.
Ученые также отмечают возможность создания активных ядерных часов, отсчитывающих время за счет переходов в ядре атома, а не в его электронной оболочке. Это может открыть путь к самым точным измерениям времени в истории.
Джерело: phys.org
