आजवरचा सर्वांत स्थिर लेसर

सर्वोत्तम अणुघड्याळे अणूंनी शोषलेल्या प्रकाशाची कंपने मोजतात. त्यासाठी त्यांना असा लेसर लागतो ज्याची वारंवारता जेमतेम हलते, जेणेकरून तो अतिशय अरुंद अणु-संक्रमणांचा वेध घेऊ शकेल. आजचे सर्वांत स्थिर लेसर एका अतिशीत सिलिकॉन पोकळीशी (cryogenic silicon cavity) बांधलेले असतात: एकल-स्फटिक सिलिकॉनच्या कांडीने दूर धरलेले दोन आरसे, खोलीच्या तापमानापेक्षा खूप खाली थंड केलेले. आरशांमध्ये उसळणारा प्रकाश केवळ अतिशय अचूक वारंवारतांवरच अनुनाद करतो, आणि लेसरला त्यांचे अनुसरण करायला भाग पाडले जाते.

अशा पोकळ्या आधीच 10⁻¹⁷ च्या पातळीवरील सापेक्ष स्थैर्य गाठतात — म्हणजे वारंवारता आपल्या मूल्याच्या सुमारे एक अब्जांशाच्या दहा-कोट्यंश भागाइतकीच भटकते. अनेक प्रयोगांत लेसर अजूनही गोंगाटाच्या मुख्य स्रोतांपैकी एक आहे — त्यामुळे अधिक स्थिर लेसर मोजमाप लगेचच सुधारतो.

थरथरणारे आरसे

सर्वोत्तम सिलिकॉन पोकळ्यांना मर्यादा घालते ती आरशांच्या लेपांतील ब्राउनियन औष्णिक गोंगाट (Brownian thermal noise): बारीक परावर्तक थर कधीच पूर्णपणे स्थिर नसतात, कारण उष्णतेमुळे त्यांचे अणू थरथरतात. ती सूक्ष्म हालचाल पोकळीची लांबी बदलते, आणि तिच्यासोबत प्रकाशाचा रंगही.

JILA (NIST आणि कोलोरॅडो विद्यापीठ, बोल्डर) येथील Ben Lewis, Jun Ye आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी, जर्मनीतील ब्राउनश्वाइग येथील Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) च्या भौतिकशास्त्रज्ञांसह, आधीच्या 21 सेंटिमीटरच्या सिलिकॉन पोकळ्यांमध्ये दोन बदल केले:

• अधिक थंड. आधीच्या प्रणाली 124 K वर चालत, हे असे एक तापमान आहे ज्यावर सिलिकॉन उष्णतेने प्रसरण किंवा आकुंचन पावणे थांबवते. Si7 नाव दिलेली नवी पोकळी एकतर 16 K वर, म्हणजे अशाच दुसऱ्या तापमानावर, किंवा 6 K वर, म्हणजे तिचा क्रायोस्टॅट गाठू शकणाऱ्या सर्वांत थंड तापमानावर चालते.
• अधिक रुंद किरणपुंज. कमी फुगीर वक्र आरसा (वक्रता-त्रिज्या 1 मीटरऐवजी 10.2 मीटर) वापरल्याने, आरशांवरील प्रकाशाच्या ठिपक्याची त्रिज्या 480 वरून 850 मायक्रोमीटर इतकी वाढते — किरणपुंज मोठा करणे हा औष्णिक गोंगाट कमी करण्याच्या ज्ञात मार्गांपैकी एक आहे.

हे दोन्ही मिळून, आधीच्या प्रणालींच्या तुलनेत औष्णिक गोंगाट तीन ते पाच पटींनी कमी करतात.

थंडीत कंपनांशी लढा

हे दोन्ही बदल सहसा पोकळीला कंपनांप्रति अधिक संवेदनशील बनवतात, आणि 6 किंवा 16 K गाठण्यासाठी हेलियम क्रायोकूलर लागतो — एक हादरणारे यंत्र. गटाने क्रायोकूलर प्रकाशीय टेबलाशेजारी जमिनीवर ठेवला, आणि थंड हेलियम नळ्यांनी प्रयोगापर्यंत पोहोचवले. पोकळी एका सक्रिय कंपन-विलगीकरण टेबलावर आहे, आणि तिला मधोमध 6 मिलिमीटर व्यासाच्या तीन माणकाच्या गोळ्यांनी धरले आहे.

थंडी आणखी एक समस्या आणते: निरपेक्ष शून्याजवळ पदार्थ फारच कमी उष्णता साठवतात, त्यामुळे तापमानातील चढउतार दाबून टाकणे कठीण असते. उपाय होता एर्बियम, जो 16 K वर प्रति घनफळ स्टेनलेस स्टीलपेक्षा 6 पट आणि तांब्यापेक्षा 13 पट अधिक उष्णता साठवतो. कवचांचे थर आणि एर्बियमचे ठोकळे तापमानातील कोणताही बदल सुमारे चार दिवसांच्या कालमानापर्यंत मंदावतात. नियंत्रण-संवेदक 16.183 K वर ठेवलेला असतो, आणि एक स्वतंत्र संवेदक आपल्या लक्ष्यापासून दहा कोटींश अंशाच्या आत राहतो.

विक्रम

इतर दोन सिलिकॉन पोकळ्या आणि एका स्ट्रॉन्शियम अणुघड्याळाशी तुलना केल्यावर, लेसर असे गाठतो:

• 6 K वर, 2 ते 50 सेकंदांच्या सरासरीवर 7 × 10⁻¹⁸ इतके सापेक्ष स्थैर्य — एक नवा विक्रम: केवळ सुमारे 1.4 हजारांश हर्ट्झचे चढउतार — आणि 194 टेराहर्ट्झ वारंवारतेच्या प्रकाशावर 2.5 मिलिहर्ट्झ ची रेषा-रुंदी (लेसरच्या स्वतःच्या वारंवारतेचा पसारा);
• 16 K वर, 9 × 10⁻¹⁸, 2.9 mHz ची रेषा-रुंदी, पण अनेक दिवसांच्या कालावधीत अधिक चांगले वर्तन.

पोकळी अधिक थंड झाली की गोंगाट कमी होतो, यावरून दिसते की लेसर अपेक्षित मर्यादेपर्यंत पोहोचला आहे: कंपने किंवा इलेक्ट्रॉनिक्स नव्हे, तर लेपांचा औष्णिक गोंगाट.

14 आणि 7 दिवसांच्या दोन धावांमध्ये, स्ट्रॉन्शियम घड्याळाने पोकळीच्या मंद विचलनाचा मागोवा घेतला: सेकंदाला 4 मायक्रोहर्ट्झपेक्षा कमी, हायड्रोजन मेसरशी (वेळ-प्रयोगशाळांचा संदर्भ-दोलक) तुलनीय आणि 124 K वर चालणाऱ्या सिलिकॉन पोकळ्यांपेक्षा दहा पटींनी कमी. थंड केल्यानंतर नऊ महिन्यांत पोकळी तिथे पोहोचली; 124 K च्या पोकळ्यांना एक दशक लागले होते.

अणूंकडे सेकंदांचे दीर्घ कटाक्ष

लेसर आधीच कामाला लागला आहे. स्ट्रॉन्शियम जाळी-घड्याळ (lattice clock — लेसर-प्रकाशाच्या जाळीत अडकवलेले अणू) चालवताना, तो अणूंचा 10 सेकंदांहून अधिक काळ वेध घेऊ देतो — आणि वेध जितका दीर्घ, तितकी अणूंची रेषा अरुंद, म्हणजे घड्याळ तिचे केंद्र तितक्या अचूकपणे शोधू शकते. 12 सेकंदांनंतरही व्यतिकरण-संकेत (रॅम्से पट्टे) आपल्या विरोधाभासाचा (contrast) 75% भाग टिकवून ठेवतो, आणि 12.4 सेकंदांची एकच नाडी केवळ 64 मिलिहर्ट्झ रुंद रेषा देते. घड्याळ वापरत असलेली स्ट्रॉन्शियम-87 ची उत्तेजित अवस्था सुमारे 170 सेकंद टिकते — वेध-कालावधींची पुढची सीमा.

10⁻¹⁸ च्या दिशेने

नवा लेसर JILA चा आधीचा संदर्भ-लेसर बदलेल आणि, लेखकांच्या मते, बोल्डर जाळ्यातील सर्व प्रकाशीय घड्याळांना दिलेली अचूकता दहा पटींपर्यंत लवकर गाठू देईल. स्फटिकी आरसा-लेप 6 K वर औष्णिक गोंगाट सुमारे 1.5 × 10⁻¹⁸ पर्यंत कमी करू शकतील; अधिक थंड, अधिक लांब पोकळ्या किंवा अधिक रुंद किरणपुंज तो 1 × 10⁻¹⁸ किंवा त्याहून खाली नेऊ शकतील. एक गूढ कायम आहे: 100 सेकंदांपलीकडचा अतिरिक्त गोंगाट, ज्याचा स्रोत क्रायोस्टॅटमधील कोणताही संवेदक अद्याप निश्चित करू शकलेला नाही.