Ученые из Сибири разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf. Series.
"Мы стремимся к достижению относительной погрешности уровня 10 в минус 17 степени — 10 минус 18 степени, что соответствует лучшим мировым достижениям в этой области. Создание глобальной сети таких лазеров и часов на их основе позволит составить точную карту гравитационного поля Земли и даже "увидеть" прохождение волн загадочной темной материи через планету", — рассказал Алексей Тайченачев, директор Института лазерной физики СО РАН, чьи слова приводит Российский научный фонд.
Как правило, в атомных часах два иона находятся в электромагнитной "ловушке" на расстоянии нескольких микрометров друг от друга. Ученые "стреляют" по ионам из лазера, и взаимодействие атомов позволяет выделять два состояния — условные ноль и единицу. Колебания между этими состояниями и есть отсчет времени. Подобные конструкции позволяют достичь невероятной точности измерения времени — современные атомные часы начинают отставать или спешить на секунду лишь через миллиарды лет.
Для их работы нужны достаточно точные "обычные" часы, а также сверхстабильный источник лазерного излучения. Они необходимы для того, чтобы испускать лазерные вспышки через четко отмеренные промежутки времени и определять момент, когда ион поглощает лазерный импульс, а затем повторно испускает его. Предел точности самых "продвинутых" атомных часов сегодня задается именно тем, что "чистоту" и качество лазерных импульсов крайне сложно повышать.
Российским ученым удалось улучшить качество лазерных пучков и точность его работы, привязав частоту импульсов лазера к так называемым "запрещенным переходам" – набору особых энергетических уровней в атомах, куда их электроны попадают крайне редко при поглощении или излучении ими энергии. Как обнаружили сибирские физики, атомы магния и ряда редкоземельных металлов можно заставить осуществлять такие переходы, если поместить их в источник слабого магнитного поля.
Так как эти переходы происходят при очень специфических условиях, частота излучения лазера, привязанная к ним, будет очень стабильной и предсказуемой при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. На текущий момент методика российских ученых позволяет достичь погрешности измерений в 10 в минус 16 степени, однако в будущем ее можно будет улучшить на два порядка, используя экспериментальные методики измерения спектра лазерных лучей.