أكثر ليزر استقرارًا بُني على الإطلاق

تعدّ أفضل الساعات الذرية اهتزازات الضوء الذي تمتصه الذرات. ولكي تفعل ذلك، تحتاج إلى ليزر لا يكاد تردده يتحرك، حتى يتمكن من سبر انتقالات ذرية بالغة الضيق. وأكثر أجهزة الليزر استقرارًا اليوم مثبّتة على تجويف سيليكون مبرَّد (cryogenic silicon cavity): مرآتان يفصل بينهما قضيب من السيليكون أحادي البلورة، مبرَّد إلى ما دون حرارة الغرفة بكثير. والضوء المرتد بين المرآتين لا يرنّ إلا عند ترددات بالغة الدقة، ويُجبَر الليزر على تتبعها.

تبلغ هذه التجاويف أصلًا استقرارًا نسبيًا بمستوى 10⁻¹⁷، أي أن التردد لا يتجول إلا بنحو جزء من مئة مليون من جزء من مليار من قيمته. وفي تجارب كثيرة، لا يزال الليزر أحد المصادر الرئيسية للضجيج، لذا فإن ليزرًا أكثر استقرارًا يحسّن القياس فورًا.

مرايا تهتز

ما يحدّ من أداء أفضل تجاويف السيليكون هو الضجيج الحراري البراوني في طلاءات المرايا: فالطبقات العاكسة الرقيقة لا تكون ساكنة تمامًا أبدًا، لأن الحرارة تجعل ذراتها تهتز. وهذه الحركة الضئيلة تغيّر طول التجويف، ومعه لون الضوء.

أجرى بن لويس (Ben Lewis) وجون يي (Jun Ye) وزملاؤهما في JILA (المعهد الوطني للمعايير والتقانة وجامعة كولورادو في بولدر)، مع فيزيائيين من المعهد الفيزيائي التقني الاتحادي (PTB) في براونشفايغ بألمانيا، تغييرين على تجاويف السيليكون السابقة التي يبلغ طولها 21 سنتيمترًا:

• أبرد. كانت الأنظمة السابقة تعمل عند 124 K، وهي إحدى درجتي الحرارة اللتين يكفّ عندهما السيليكون عن التمدد أو الانكماش بفعل الحرارة. أما التجويف الجديد، المسمى Si7، فيعمل إما عند 16 K، أي الدرجة الأخرى من هذا النوع، وإما عند 6 K، وهي أبرد ما يستطيع مبرّده بلوغه.
• شعاع أعرض. باستخدام مرآة أقل انحناءً (نصف قطر انحنائها 10.2 متر بدلًا من متر واحد)، يتسع نصف قطر بقعة الضوء على المرايا من 480 إلى 850 ميكرومترًا، وتوسيع الشعاع إحدى الطرق المعروفة لخفض الضجيج الحراري.

ومعًا، يخفض التغييران الضجيج الحراري بمقدار ثلاثة إلى خمسة أضعاف مقارنة بالأنظمة السابقة.

مقاومة الاهتزازات في البرد

كلا التغييرين يجعل التجويف عادة أكثر حساسية للاهتزازات، وبلوغ 6 أو 16 K يتطلب مبرّدًا بالهيليوم، وهو آلة تهتز. فوضع الفريق المبرّد على الأرض بجوار الطاولة البصرية، ونقل الهيليوم البارد عبر أنابيب إلى التجربة. ويستقر التجويف على طاولة عزل اهتزازات نشطة، وتحمله من وسطه ثلاث كرات من الياقوت قطر كل منها 6 مليمترات.

ويجلب البرد مشكلة أخرى: فالمواد قرب الصفر المطلق لا تختزن إلا قدرًا ضئيلًا جدًا من الحرارة، لذا يصعب إخماد تقلبات درجة الحرارة. وكان الحل في الإربيوم، الذي يختزن عند 16 K حرارة لكل وحدة حجم تزيد 6 مرات على الفولاذ المقاوم للصدأ و13 مرة على النحاس. وتبطئ طبقات من الدروع وكتل من الإربيوم أي تغير في الحرارة إلى مقياس زمني يقارب أربعة أيام. ويُثبَّت مستشعر التحكم عند 16.183 K، ويبقى مستشعر مستقل في حدود 100 جزء من مليون من الدرجة عن قيمته المستهدفة.

الرقم القياسي

بالمقارنة مع تجويفين آخرين من السيليكون وساعة ذرية من السترونشيوم، يبلغ الليزر:

• عند 6 K، استقرارًا نسبيًا قدره 7 × 10⁻¹⁸ عند حساب المتوسط على مدى 2 إلى 50 ثانية، وهو رقم قياسي جديد: تذبذبات لا تتجاوز نحو 1.4 جزء من الألف من الهرتز، وعرض خط (أي مدى انتشار تردد الليزر نفسه) قدره 2.5 ميلي هرتز، على تردد ضوئي قدره 194 تيراهرتز؛
• عند 16 K، 9 × 10⁻¹⁸، بعرض خط قدره 2.9 mHz، لكن بسلوك أفضل على مدى أيام.

ينخفض الضجيج حين يصبح التجويف أبرد، مما يبيّن أن الليزر بلغ الحد المقصود: الضجيج الحراري للطلاءات، لا الاهتزازات أو الإلكترونيات.

وعلى مدى جولتين من 14 و7 أيام، تتبعت ساعة السترونشيوم الانجراف البطيء للتجويف: أقل من 4 ميكروهرتز في الثانية، وهو ما يضاهي ميزر الهيدروجين (المذبذب المرجعي في مختبرات قياس الزمن)، وأقل بعشر مرات من تجاويف السيليكون التي تعمل عند 124 K. وقد بلغ التجويف ذلك بعد تسعة أشهر من تبريده؛ بينما استغرقت تجاويف 124 K عقدًا من الزمن.

نظرات إلى الذرات تدوم ثوانيَ

يعمل الليزر بالفعل. فحين يشغّل ساعة شبكة السترونشيوم (ذرات محبوسة في شبكة من ضوء الليزر)، يتيح سبر الذرات لـأكثر من 10 ثوانٍ، وكلما طال السبر ضاق خط الذرات، فازدادت دقة الساعة في تحديد مركزه. فبعد 12 ثانية، تظل إشارة التداخل (هدب رامزي) محتفظة بـ75% من تباينها، ونبضة واحدة مدتها 12.4 ثانية تعطي خطًا لا يتجاوز عرضه 64 ميلي هرتز. وتعيش الحالة المثارة للسترونشيوم-87 التي تستخدمها الساعة نحو 170 ثانية، وهي الحد التالي لأزمنة السبر.

نحو 10⁻¹⁸

سيحل الليزر الجديد محل المرجع السابق في JILA، وبحسب المؤلفين، سيتيح لكل الساعات الضوئية في شبكة بولدر أن تبلغ دقة معينة في وقت أقصر بما يصل إلى عشر مرات. ويمكن لطلاءات مرايا بلورية أن تخفض الضجيج الحراري إلى نحو 1.5 × 10⁻¹⁸ عند 6 K؛ ويمكن لتجاويف أبرد وأطول أو لأشعة أعرض أن تدفعه إلى 1 × 10⁻¹⁸ أو أقل. ويبقى لغز واحد: ضجيج إضافي بعد 100 ثانية، لا يستطيع أي مستشعر داخل المبرّد حتى الآن تحديد مصدره.