अब तक बना सबसे स्थिर लेज़र

सबसे अच्छी परमाणु घड़ियाँ परमाणुओं द्वारा अवशोषित प्रकाश के कंपनों को गिनती हैं। इसके लिए उन्हें ऐसा लेज़र चाहिए जिसकी आवृत्ति मुश्किल से हिले, ताकि वह बेहद संकरे परमाणु संक्रमणों को परख सके। आज के सबसे स्थिर लेज़र एक क्रायोजेनिक सिलिकॉन कैविटी पर लॉक किए जाते हैं: दो दर्पण, जिन्हें एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन की एक छड़ अलग रखती है, और जिसे कमरे के तापमान से बहुत नीचे तक ठंडा किया जाता है। दर्पणों के बीच उछलता प्रकाश केवल बहुत सटीक आवृत्तियों पर अनुनाद करता है, और लेज़र को उनका अनुसरण करने पर मजबूर किया जाता है।

ऐसी कैविटी पहले ही 10⁻¹⁷ के स्तर की आंशिक स्थिरता तक पहुँच चुकी हैं — आवृत्ति अपने मान के लगभग एक अरबवें हिस्से के दस करोड़वें हिस्से जितनी भटकती है। कई प्रयोगों में लेज़र अब भी शोर के मुख्य स्रोतों में से एक है — इसलिए एक ज़्यादा स्थिर लेज़र माप को तुरंत बेहतर बना देता है।

हिलते-डुलते दर्पण

सबसे अच्छी सिलिकॉन कैविटी को जो चीज़ सीमित करती है, वह है दर्पण की परतों में ब्राउनी तापीय शोर (Brownian thermal noise): पतली परावर्तक परतें कभी पूरी तरह स्थिर नहीं होतीं, क्योंकि ऊष्मा उनके परमाणुओं को हिलाती-डुलाती रहती है। वह नन्ही हलचल कैविटी की लंबाई बदल देती है, और उसके साथ प्रकाश का रंग भी।

JILA (NIST और University of Colorado, Boulder) के Ben Lewis, Jun Ye और उनके सहकर्मियों ने, जर्मनी के ब्राउनश्वाइग स्थित Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) के भौतिकविदों के साथ मिलकर, पहले की 21 सेंटीमीटर की सिलिकॉन कैविटी में दो बदलाव किए:

ज़्यादा ठंडा। पहले के सिस्टम 124 K पर चलते थे, जो उन तापमानों में से एक है जिन पर सिलिकॉन ऊष्मा से फैलना या सिकुड़ना बंद कर देता है। Si7 नाम की नई कैविटी या तो 16 K पर चलती है, जो ऐसा दूसरा तापमान है, या 6 K पर, जो इसका क्रायोस्टैट न्यूनतम पहुँच सकता है।
चौड़ी किरण। कम उभरे हुए वक्र दर्पण (वक्रता-त्रिज्या 1 मीटर की जगह 10.2 मीटर) का उपयोग करने से दर्पणों पर प्रकाश-बिंदु की त्रिज्या 480 से बढ़कर 850 माइक्रोमीटर हो जाती है — किरण को बड़ा करना तापीय शोर घटाने के ज्ञात तरीक़ों में से एक है।

दोनों मिलकर पहले के सिस्टमों की तुलना में तापीय शोर को तीन से पाँच गुना घटा देते हैं।

ठंड में कंपनों से जूझना

दोनों बदलाव आम तौर पर कैविटी को कंपनों के प्रति ज़्यादा संवेदनशील बना देते हैं, और 6 या 16 K तक पहुँचने के लिए एक हीलियम क्रायोकूलर चाहिए — एक ऐसी मशीन जो हिलती है। टीम ने क्रायोकूलर को प्रकाशीय मेज़ के बगल में फ़र्श पर रखा, और ठंडी हीलियम को पाइपों से प्रयोग तक पहुँचाया। कैविटी को बीच से 6 मिलीमीटर व्यास वाली माणिक की तीन गेंदें थामती हैं, और वह एक सक्रिय कंपन-पृथक्करण मेज़ पर रखी है।

ठंड एक और समस्या लाती है: परम शून्य के पास पदार्थ बहुत कम ऊष्मा धारण करते हैं, इसलिए तापमान के उतार-चढ़ाव को दबाना कठिन होता है। समाधान था अर्बियम (erbium), जो 16 K पर प्रति आयतन स्टेनलेस स्टील से 6 गुना और ताँबे से 13 गुना ज़्यादा ऊष्मा संचित करता है। ढालों की परतें और अर्बियम के पिंड किसी भी तापमान-परिवर्तन को लगभग चार दिन के समय-पैमाने तक धीमा कर देते हैं। नियंत्रण सेंसर 16.183 K पर रखा जाता है, और एक स्वतंत्र सेंसर अपने लक्ष्य से एक डिग्री के 100 दस-लाखवें हिस्से के भीतर बना रहता है।

रिकॉर्ड

दो अन्य सिलिकॉन कैविटी और एक स्ट्रॉन्शियम परमाणु घड़ी से तुलना करने पर लेज़र यह हासिल करता है:

6 K पर, 2 से 50 सेकंड के औसत पर 7 × 10⁻¹⁸ की आंशिक स्थिरता — एक नया रिकॉर्ड: केवल लगभग 1.4 हज़ारवें हर्ट्ज़ का उतार-चढ़ाव — और 194 टेराहर्ट्ज़ की प्रकाश-आवृत्ति पर 2.5 मिलीहर्ट्ज़ की रेखा-चौड़ाई (लेज़र की अपनी आवृत्ति का फैलाव);
16 K पर, 9 × 10⁻¹⁸, 2.9 mHz की रेखा-चौड़ाई, लेकिन कई दिनों के पैमाने पर बेहतर व्यवहार।

कैविटी के और ठंडा होने पर शोर घटता है, जो दिखाता है कि लेज़र अपनी इच्छित सीमा तक पहुँच गया है: परतों का तापीय शोर, न कि कंपन या इलेक्ट्रॉनिकी।

14 और 7 दिनों की दो दौड़ों में, स्ट्रॉन्शियम घड़ी ने कैविटी के धीमे खिसकाव का पीछा किया: 4 माइक्रोहर्ट्ज़ प्रति सेकंड से कम, जो एक हाइड्रोजन मेसर (समय-प्रयोगशालाओं का संदर्भ दोलित्र) के बराबर है और 124 K पर चलने वाली सिलिकॉन कैविटी से दस गुना कम है। कैविटी ठंडा होने के नौ महीने बाद वहाँ पहुँची; 124 K वाली कैविटी को एक दशक लगा था।

परमाणुओं पर सेकंडों लंबी नज़र

लेज़र पहले से काम पर लगा है। स्ट्रॉन्शियम जालक घड़ी (lattice clock — लेज़र-प्रकाश की एक जाली में फँसे परमाणु) को चलाते हुए यह परमाणुओं को 10 सेकंड से ज़्यादा परखने देता है — और परख जितनी लंबी, परमाणुओं की रेखा उतनी ही पतली, इसलिए घड़ी उसका केंद्र उतनी ही सटीकता से ढूँढ पाती है। 12 सेकंड बाद भी व्यतिकरण संकेत (Ramsey fringes) अपने कंट्रास्ट का 75% बनाए रखता है, और 12.4 सेकंड का एक अकेला स्पंद केवल 64 मिलीहर्ट्ज़ चौड़ी रेखा देता है। घड़ी द्वारा इस्तेमाल की जाने वाली स्ट्रॉन्शियम-87 की उत्तेजित अवस्था लगभग 170 सेकंड जीवित रहती है — पूछताछ-समय (interrogation time) का अगला मोर्चा।

10⁻¹⁸ की ओर

नया लेज़र JILA के पिछले संदर्भ-लेज़र की जगह लेगा और, लेखकों के अनुसार, बोल्डर नेटवर्क की सभी प्रकाशीय घड़ियों को किसी दी गई सटीकता तक दस गुना तक जल्दी पहुँचने देगा। क्रिस्टलीय दर्पण-परतें 6 K पर तापीय शोर को लगभग 1.5 × 10⁻¹⁸ तक घटा सकती हैं; ज़्यादा ठंडी, लंबी कैविटी या चौड़ी किरणें इसे 1 × 10⁻¹⁸ या उससे नीचे तक धकेल सकती हैं। एक रहस्य बाक़ी है: 100 सेकंड के बाद का अतिरिक्त शोर, जिसके स्रोत का पता क्रायोस्टैट के भीतर का कोई सेंसर अभी तक नहीं लगा पाया है।