এ যাবৎ তৈরি সবচেয়ে স্থির লেজার

সেরা পারমাণবিক ঘড়িগুলো পরমাণুর শোষণ করা আলোর কম্পন গোনে। এর জন্য তাদের দরকার এমন একটি লেজার, যার কম্পাঙ্ক প্রায় নড়েই না, যাতে সেটি অত্যন্ত সরু পারমাণবিক রূপান্তর পরীক্ষা করতে পারে। আজকের সবচেয়ে স্থির লেজারগুলো আটকানো থাকে একটি ক্রায়োজেনিক সিলিকন গহ্বরে: দুটি আয়না, যাদের আলাদা করে রাখে একক-কেলাস সিলিকনের একটি দণ্ড, ঘরের তাপমাত্রার অনেক নিচে ঠান্ডা করা। আয়না দুটির মধ্যে প্রতিফলিত হতে থাকা আলো কেবল খুব নির্দিষ্ট কম্পাঙ্কে অনুনাদ করে, আর লেজারটিকে সেগুলো মেনে চলতে বাধ্য করা হয়।

এমন গহ্বর ইতিমধ্যে 10⁻¹⁷ স্তরের আপেক্ষিক স্থিতিশীলতায় পৌঁছেছে — অর্থাৎ কম্পাঙ্ক তার মানের প্রায় একশো কোটি ভাগের এক ভাগের দশ কোটি ভাগের এক ভাগ নড়ে। অনেক পরীক্ষায় লেজার এখনো গোলমালের প্রধান উৎসগুলোর একটি — তাই আরও স্থির একটি লেজার পরিমাপকে সঙ্গে সঙ্গে উন্নত করে।

কেঁপে চলা আয়না

সেরা সিলিকন গহ্বরগুলোকে যা সীমিত করে, তা হলো আয়নার প্রলেপে ব্রাউনীয় তাপীয় গোলমাল (Brownian thermal noise): পাতলা প্রতিফলক স্তরগুলো কখনো পুরোপুরি স্থির থাকে না, কারণ তাপ তাদের পরমাণুগুলোকে কাঁপায়। সেই ক্ষুদ্র নড়াচড়া গহ্বরের দৈর্ঘ্য বদলে দেয়, আর তার সঙ্গে আলোর রংও।

JILA-র (NIST ও University of Colorado, Boulder) Ben Lewis, Jun Ye ও সহকর্মীরা, জার্মানির ব্রাউনশ্‌ভাইগের Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)-এর পদার্থবিদদের সঙ্গে মিলে, আগের 21 সেন্টিমিটার সিলিকন গহ্বরে দুটি পরিবর্তন এনেছেন:

আরও ঠান্ডা। আগের ব্যবস্থাগুলো চলত 124 K-এ, যা সেই তাপমাত্রাগুলোর একটি যেখানে সিলিকন তাপে প্রসারিত বা সংকুচিত হওয়া বন্ধ করে। Si7 নামের নতুন গহ্বরটি চলে হয় 16 K-এ, যা এমন আরেকটি তাপমাত্রা, নয়তো 6 K-এ, যা এর ক্রায়োস্ট্যাট সর্বনিম্ন পৌঁছাতে পারে।
চওড়া রশ্মি। কম বাঁকা একটি আয়না (বক্রতা-ব্যাসার্ধ 1 মিটারের বদলে 10.2 মিটার) ব্যবহার করায় আয়নার ওপর আলোকবিন্দুর ব্যাসার্ধ 480 থেকে বেড়ে 850 মাইক্রোমিটার হয় — রশ্মি বড় করা তাপীয় গোলমাল কমানোর জানা উপায়গুলোর একটি।

দুটি মিলে আগের ব্যবস্থাগুলোর তুলনায় তাপীয় গোলমাল তিন থেকে পাঁচ গুণ কমিয়ে দেয়।

ঠান্ডায় কম্পনের সঙ্গে লড়াই

দুটি পরিবর্তনই সাধারণত গহ্বরকে কম্পনের প্রতি বেশি সংবেদনশীল করে, আর 6 বা 16 K-এ পৌঁছাতে লাগে একটি হিলিয়াম ক্রায়োকুলার — এমন একটি যন্ত্র যা কাঁপে। দলটি ক্রায়োকুলারটিকে আলোক-টেবিলের পাশে মেঝেতে রেখে নল দিয়ে ঠান্ডা হিলিয়াম পরীক্ষাটি পর্যন্ত পৌঁছে দিয়েছে। গহ্বরটি বসানো আছে একটি সক্রিয় কম্পন-বিচ্ছিন্নকারী টেবিলে, মাঝখান থেকে ধরে রেখেছে 6 মিলিমিটার ব্যাসের চুনির তিনটি গোলক।

ঠান্ডা আরেকটি সমস্যা আনে: পরম শূন্যের কাছে পদার্থ খুব সামান্য তাপ ধরে রাখে, তাই তাপমাত্রার ওঠানামা দমানো কঠিন। সমাধান ছিল আর্বিয়াম (erbium), যা 16 K-এ প্রতি আয়তনে স্টেইনলেস স্টিলের চেয়ে 6 গুণ আর তামার চেয়ে 13 গুণ বেশি তাপ সঞ্চয় করে। ঢালের স্তর আর আর্বিয়ামের পিণ্ড যেকোনো তাপমাত্রা-পরিবর্তনকে প্রায় চার দিনের সময়-মাপে ধীর করে দেয়। নিয়ন্ত্রণ সেন্সরটি রাখা হয় 16.183 K-এ, আর একটি স্বাধীন সেন্সর তার লক্ষ্য থেকে এক ডিগ্রির 100 দশ-লক্ষ ভাগের মধ্যে থাকে।

রেকর্ড

অন্য দুটি সিলিকন গহ্বর ও একটি স্ট্রনশিয়াম পারমাণবিক ঘড়ির সঙ্গে তুলনা করে লেজারটি পৌঁছায়:

6 K-এ, 2 থেকে 50 সেকেন্ডের গড়ে 7 × 10⁻¹⁸ আপেক্ষিক স্থিতিশীলতায় — একটি নতুন রেকর্ড: মাত্র প্রায় 1.4 হাজার ভাগের এক ভাগ হার্টজের ওঠানামা — এবং 194 টেরাহার্টজ আলোক-কম্পাঙ্কে 2.5 মিলিহার্টজ রেখা-প্রস্থে (লেজারের নিজের কম্পাঙ্কের বিস্তার);
16 K-এ, 9 × 10⁻¹⁸, 2.9 mHz রেখা-প্রস্থ, তবে কয়েক দিনের মাপে ভালো আচরণ।

গহ্বর আরও ঠান্ডা হলে গোলমাল কমে, যা দেখায় যে লেজারটি তার অভিপ্রেত সীমায় পৌঁছেছে: প্রলেপের তাপীয় গোলমাল, কম্পন বা ইলেকট্রনিক্স নয়।

14 ও 7 দিনের দুটি পর্বে স্ট্রনশিয়াম ঘড়িটি গহ্বরের ধীর সরণ অনুসরণ করেছে: সেকেন্ডে 4 মাইক্রোহার্টজের কম, যা একটি হাইড্রোজেন মেসারের (সময়-গবেষণাগারগুলোর নির্দেশক দোলক) সমতুল্য এবং 124 K-এ চলা সিলিকন গহ্বরের চেয়ে দশ গুণ কম। ঠান্ডা করার নয় মাস পরে গহ্বরটি সেখানে পৌঁছেছে; 124 K-এর গহ্বরগুলোর লেগেছিল এক দশক।

সেকেন্ড ধরে পরমাণুর দিকে তাকানো

লেজারটি ইতিমধ্যে কাজে লেগেছে। স্ট্রনশিয়াম জালক ঘড়ি (lattice clock; লেজার-আলোর জালে আটকে রাখা পরমাণু) চালাতে গিয়ে এটি পরমাণুগুলোকে 10 সেকেন্ডেরও বেশি সময় ধরে পরীক্ষা করতে দেয় — আর পরীক্ষা যত দীর্ঘ, পরমাণুর রেখা তত সরু, তাই ঘড়িটি তত নিখুঁতভাবে রেখার কেন্দ্র খুঁজে পায়। 12 সেকেন্ড পরেও ব্যতিচার-সংকেত (Ramsey ফ্রিঞ্জ) তার বৈসাদৃশ্যের 75% ধরে রাখে, আর 12.4 সেকেন্ডের একটি মাত্র স্পন্দন মাত্র 64 মিলিহার্টজ চওড়া একটি রেখা দেয়। ঘড়িটির ব্যবহৃত স্ট্রনশিয়াম-87-এর উত্তেজিত অবস্থা প্রায় 170 সেকেন্ড টেকে — জিজ্ঞাসাকালের (interrogation time) পরবর্তী সীমান্ত।

10⁻¹⁸-এর দিকে

নতুন লেজারটি JILA-র আগের নির্দেশক লেজারের জায়গা নেবে এবং, লেখকদের মতে, বোল্ডার নেটওয়ার্কের সব আলোক-ঘড়িকে একটি নির্দিষ্ট নির্ভুলতায় দশ গুণ পর্যন্ত আগে পৌঁছাতে দেবে। কেলাসিত আয়না-প্রলেপ 6 K-এ তাপীয় গোলমাল প্রায় 1.5 × 10⁻¹⁸-এ নামাতে পারে; আরও ঠান্ডা, লম্বা গহ্বর বা চওড়া রশ্মি একে 1 × 10⁻¹⁸ বা তার নিচে ঠেলে দিতে পারে। একটি রহস্য রয়ে গেছে: 100 সেকেন্ডের পরের বাড়তি গোলমাল, যার উৎস ক্রায়োস্ট্যাটের ভেতরের কোনো সেন্সর এখনো ধরতে পারেনি।