Американські та німецькі фізики оновили концепцію лазеру тридцятирічної давнини. Це відкриття може змінити підхід до того, як людство вимірює час.
Лазери бувають звичайні та суперрадіаційні, й працюють вони принципово по-різному. Звичайний формує пучок світла за допомогою дзеркальної порожнини, яка «розгойдує» фотони між атомами. У суперрадіаційному частинки самі синхронізують свої коливання й діють як єдине узгоджене джерело.
Завдяки цьому частота випромінювання зберігається в самих атомах, а не в резонаторі, та значно менше залежить від зовнішніх впливів: вібрацій, перепадів температури, механічних шумів. Ідею запропонували ще в 1990-х, практично перевірили у 2012 році, однак повноцінного безперервного режиму роботи фізикам досягти так і не вдавалося.
Проблема нагріву та її розв’язання
Щоб лазер працював як годинник, він має випромінювати фотони безперервно, а для цього атоми потрібно постійно «підживлювати» енергією. Якщо накачувати кожну частинку окремо, це створює хаотичні поштовхи, які нагрівають систему й руйнують синхронізацію.
Джаррод Рейлі та його колеги запропонували додати третій енергетичний рівень до класичної дворівневої моделі. Це дозволяє розвести процеси накачування та випромінювання на різні переходи: колективна синхронізація зберігається, а нагрів суттєво зменшується.
Найвужча лінія в оптиці
Теоретичні розрахунки для атомів барію показали: такий пристрій може досягти ширини лінії — тобто точності визначення частоти — близько 100 мікрогерц. Це рекордний показник для оптичної галузі.
Довжина когерентності відповідного пучка — відстань, на якій світло лишається у фазі, — охоплює простір від Сонця до орбіти Урана, тобто близько 2,7 млрд км. Крім того, дослідники виявили, що небажаний вплив резонатора на вихідну частоту лазера можна налаштовувати й теоретично звести до нуля.
Застосування поза годинниками
Якщо концепцію вдасться реалізувати практично, такий інструмент стане корисним і для оптичної інтерферометрії — методу надточних вимірювань. Автори припускають, що він може підвищити чутливість детекторів гравітаційних хвиль: якщо частота пристрою не реагує на зовнішнє середовище, будь-який зафіксований зсув свідчитиме виключно про викривлення простору-часу.
Науковці також вказують на можливість створення активного ядерного годинника, що відлічує час через переходи в ядрі атома, а не в його електронній оболонці. Це може відкрити шлях до найточніших вимірювань часу в історії.
Джерело: phys.org
