پایدارترین لیزری که تاکنون ساخته شده
بهترین ساعت‌های اتمی ارتعاش‌های نوری را که اتم‌ها جذب می‌کنند می‌شمارند. برای این کار به لیزری نیاز دارند که بسامدش به‌زحمت تکان بخورد، تا بتواند گذارهای اتمیِ بسیار باریک را بکاود. پایدارترین لیزرهای امروز به یک کاواک سیلیسیمی سرمایشی (cryogenic silicon cavity) قفل می‌شوند: دو آینه که میله‌ای از سیلیسیم تک‌بلور آن‌ها را از هم جدا نگه می‌دارد و بسیار پایین‌تر از دمای اتاق سرد شده‌اند. نوری که میان آینه‌ها رفت‌وبرگشت می‌کند تنها در بسامدهای بسیار دقیقی تشدید می‌شود و لیزر وادار می‌شود از آن‌ها پیروی کند.
چنین کاواک‌هایی هم‌اکنون به پایداری نسبی در حد 10⁻¹⁷ رسیده‌اند — بسامد به اندازهٔ حدود یک صدمیلیونیمِ یک میلیاردمِ مقدار خود سرگردان می‌شود. در بسیاری از آزمایش‌ها، لیزر هنوز یکی از منابع اصلی نوفه است — پس لیزری پایدارتر بی‌درنگ اندازه‌گیری را بهتر می‌کند.
آینه‌های لرزان
آنچه بهترین کاواک‌های سیلیسیمی را محدود می‌کند، نوفهٔ گرمایی براونی (Brownian thermal noise) در پوشش آینه‌هاست: لایه‌های نازک بازتابنده هرگز کاملاً ساکن نیستند، چون گرما اتم‌هایشان را به لرزش وامی‌دارد. این حرکت ریز طول کاواک را، و همراه با آن رنگ نور را، تغییر می‌دهد.
بن لوئیس (Ben Lewis)، جون یه (Jun Ye) و همکارانشان در JILA (NIST و دانشگاه کلرادو، بولدر)، همراه با فیزیک‌دانانی از Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) در براونشوایگ آلمان، دو تغییر در کاواک‌های سیلیسیمی 21 سانتی‌متری پیشین دادند:
- سردتر. سامانه‌های پیشین در 124 K کار می‌کردند، یکی از دماهایی که در آن سیلیسیم دیگر با گرما منبسط یا منقبض نمی‌شود. کاواک تازه، با نام Si7، یا در 16 K، دمای دیگری از همین دست، کار می‌کند یا در 6 K، سردترین دمایی که سرماپایش (cryostat) به آن می‌رسد.
- پرتوی پهن‌تر. با به کار بردن آینه‌ای کم‌خمیده‌تر (شعاع انحنای 10.2 متر به جای 1 متر)، شعاع لکهٔ نور روی آینه‌ها از 480 به 850 میکرومتر می‌رسد — پهن کردن پرتو یکی از راه‌های شناخته‌شدهٔ کاهش نوفهٔ گرمایی است.
این دو با هم نوفهٔ گرمایی را در مقایسه با سامانه‌های پیشین سه تا پنج برابر کاهش می‌دهند.
نبرد با لرزش در سرما
هر دو تغییر معمولاً کاواک را به لرزش حساس‌تر می‌کنند، و رسیدن به 6 یا 16 K به یک سرماساز هلیومی (cryocooler) نیاز دارد — دستگاهی که می‌لرزد. گروه سرماساز را روی زمین کنار میز اپتیکی گذاشت و هلیوم سرد را با لوله به آزمایش رساند. کاواک روی یک میز فعال جداسازی لرزش (active vibration-isolation table) قرار دارد و از میانه‌اش با سه گوی یاقوتی به قطر 6 میلی‌متر نگه داشته می‌شود.
سرما مشکل دیگری هم می‌آورد: مواد نزدیک صفر مطلق گرمای بسیار اندکی در خود نگه می‌دارند، پس میرا کردن نوسان‌های دما دشوار است. راه‌حل اربیوم (erbium) بود که در 16 K به ازای هر حجم 6 برابر فولاد زنگ‌نزن و 13 برابر مس گرما ذخیره می‌کند. لایه‌هایی از سپرها و توده‌های اربیوم هر تغییر دما را تا مقیاس زمانی حدود چهار روز کُند می‌کنند. حسگر کنترل در 16.183 K نگه داشته می‌شود و یک حسگر مستقل در محدودهٔ 100 میلیونیم درجه از مقدار هدف می‌ماند.
رکورد
در مقایسه با دو کاواک سیلیسیمی دیگر و یک ساعت اتمی استرانسیومی، لیزر به این‌ها می‌رسد:
- در 6 K، پایداری نسبی 7 × 10⁻¹⁸ در میانگین‌گیری 2 تا 50 ثانیه‌ای — رکوردی تازه: افت‌وخیزهایی تنها در حدود 1.4 هزارمِ هرتز — و پهنای خط (گستردگی بسامدِ خودِ لیزر) 2.5 میلی‌هرتز روی بسامد نوری 194 تراهرتز؛
- در 16 K، 9 × 10⁻¹⁸ و پهنای خط 2.9 mHz، اما رفتاری بهتر در مقیاس چند روز.
نوفه با سردتر شدن کاواک کاهش می‌یابد، و این نشان می‌دهد لیزر به حد مورد نظرش رسیده است: نوفهٔ گرمایی پوشش‌ها، نه لرزش‌ها یا الکترونیک.
در دو دورهٔ اجرای 14 و 7 روزه، ساعت استرانسیومی رانش کُند کاواک را دنبال کرد: کمتر از 4 میکروهرتز بر ثانیه، قابل‌مقایسه با یک میزر هیدروژنی (نوسانگر مرجع آزمایشگاه‌های زمان) و ده برابر کمتر از کاواک‌های سیلیسیمی‌ای که در 124 K کار می‌کنند. کاواک نُه ماه پس از سرد شدن به این حد رسید؛ کاواک‌های 124 K یک دهه زمان برده بودند.
نگاه‌هایی چندثانیه‌ای به اتم‌ها
این لیزر هم‌اکنون سر کار است. با به کار انداختن ساعت شبکه‌ای (lattice clock) استرانسیومی (اتم‌هایی به دام افتاده در توری‌ای از نور لیزر)، امکان کاویدن اتم‌ها را برای بیش از 10 ثانیه فراهم می‌کند — و هرچه کاوش طولانی‌تر باشد، خطِ اتم‌ها باریک‌تر است، پس ساعت مرکز آن را دقیق‌تر می‌یابد. پس از 12 ثانیه، سیگنال تداخلی (فریزهای رمزی، Ramsey fringes) هنوز 75% از وضوح (contrast) خود را نگه می‌دارد، و یک تپ تنهای 12.4 ثانیه‌ای خطی تنها 64 میلی‌هرتز پهنا می‌دهد. حالت برانگیختهٔ استرانسیوم-87 که ساعت از آن استفاده می‌کند حدود 170 ثانیه عمر دارد — مرز بعدی برای زمان‌های کاوش.
به سوی 10⁻¹⁸
لیزر تازه جای مرجع پیشین JILA را خواهد گرفت و به گفتهٔ نویسندگان، به همهٔ ساعت‌های نوری شبکهٔ بولدر امکان خواهد داد تا ده برابر زودتر به دقتی معین برسند. پوشش‌های بلورین آینه می‌توانند نوفهٔ گرمایی را در 6 K تا حدود 1.5 × 10⁻¹⁸ پایین بیاورند؛ کاواک‌های سردتر و بلندتر یا پرتوهای پهن‌تر می‌توانند آن را به 1 × 10⁻¹⁸ یا کمتر برسانند. یک معما باقی است: نوفه‌ای اضافه فراتر از 100 ثانیه، که هیچ حسگری درون سرماپا هنوز نتوانسته منشأ آن را مشخص کند.