ہُن تیکر بنیا سب توں ٹِکیا ہویا لیزر

سب توں چنگیاں ایٹمی گھڑیاں ایٹماں دی جذب کیتی روشنی دیاں تھرتھراہٹاں گِندیاں نیں۔ ایہہ کرن لئی اوہناں نوں اجہیا لیزر چاہیدا اے جیہدی فریکوئنسی مشکل نال ہِلے، تاں جو اوہ بہت ای پتلیاں ایٹمی تبدیلیاں نوں پرکھ سکے۔ اج دے سب توں ٹکے لیزر اک کرائیوجینک سلیکون کیوٹی (cryogenic silicon cavity) نال جکڑے جاندے نیں: دو شیشے جنہاں نوں اکو کرسٹل والے سلیکون دی اک سلاخ وکھ رکھدی اے، تے جو کمرے دے درجہ حرارت توں بہت تھلے ٹھنڈے کیتے جاندے نیں۔ شیشیاں وچکار ٹکراؤندی روشنی صرف بہت ٹھیک ٹھیک فریکوئنسیاں اُتے گونجدی اے، تے لیزر نوں اوہناں دے پِچھے چلن اُتے مجبور کیتا جاندا اے۔

اجہیاں کیوٹیاں پہلاں ای 10⁻¹⁷ دی سطح دی کسری استحکام تیکر اپڑ چکیاں نیں — یعنی فریکوئنسی اپنے مُل دے اک اربویں حصے دے وی لگ بھگ دس کروڑویں حصے جِنی ای ڈولدی اے۔ کئی تجربیاں وچ، لیزر ہالے وی رولے دے وڈے ماخذاں وچوں اک اے — ایس لئی ہور ٹکیا لیزر ناپ نوں سدھا بہتر کر دیندا اے۔

کمبدے شیشے

سب توں چنگیاں سلیکون کیوٹیاں نوں جو شے روکدی اے اوہ شیشیاں دیاں تہاں وچ براؤنی حرارتی رولا (Brownian thermal noise) اے: پتلیاں چمکدار تہاں کدی پوری طرحاں ساکن نہیں ہوندیاں، کیونکہ گرمی اوہناں دے ایٹماں نوں کمبا دیندی اے۔ ایہہ نکی جیہی حرکت کیوٹی دی لمبائی بدل دیندی اے، تے اوہدے نال روشنی دا رنگ وی۔

JILA (NIST تے یونیورسٹی آف کولوراڈو، بولڈر) دے Ben Lewis، Jun Ye تے اوہناں دے ساتھیاں نے، جرمنی دے شہر براؤن شوائیگ دے Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) دے طبیعیات داناں نال رَل کے، پہلاں دیاں 21 سینٹی میٹر سلیکون کیوٹیاں وچ دو تبدیلیاں کیتیاں:

• ہور ٹھنڈا۔ پہلاں دے نظام 124 K اُتے چلدے سن، جو اوہناں درجہ حرارتاں وچوں اک اے جتھے سلیکون گرمی نال پھیلنا یا سُنگڑنا چھڈ دیندا اے۔ نویں کیوٹی، جیہدا ناں Si7 اے، یا تے 16 K اُتے چلدی اے، جو ایس طرحاں دا دوجا درجہ حرارت اے، یا 6 K اُتے، جو اوہدے کرائیوسٹیٹ دی سب توں ٹھنڈی پہنچ اے۔
• ہور چوڑی شعاع۔ اک گھٹ اُبھریا ہویا مُڑیا شیشہ (موڑ دا رداس 1 میٹر دی تھاں 10.2 میٹر) ورت کے، شیشیاں اُتے روشنی دا دھبا رداس وچ 480 توں 850 مائیکرومیٹر تیکر ودھ جاندا اے — شعاع نوں وڈا کرنا حرارتی رولا گھٹاؤن دے جانے پچھانے طریقیاں وچوں اک اے۔

دوویں رَل کے، پہلاں دے نظاماں دے مقابلے وچ حرارتی رولا تِن توں پنج گُنا گھٹا دیندیاں نیں۔

ٹھنڈ وچ کمبنی نال لڑائی

دوویں تبدیلیاں عام طور اُتے کیوٹی نوں کمبنی لئی ہور حساس بنا دیندیاں نیں، تے 6 یا 16 K تیکر اپڑن لئی ہیلیئم کرائیوکولر چاہیدا اے — اک اجہی مشین جو ہلدی اے۔ ٹیم نے کرائیوکولر نوں آپٹیکل میز دے نال فرش اُتے رکھیا، تے ٹھنڈی ہیلیئم نالیاں راہیں تجربے تیکر اپڑائی۔ کیوٹی اک فعال کمبنی روکن والی میز (active vibration-isolation table) اُتے ٹکی اے، تے اوہدے وچکار توں 6 ملی میٹر چوڑیاں یاقوت دیاں تِن گولیاں اوہنوں پھڑدیاں نیں۔

ٹھنڈ اک ہور مسئلہ لیاؤندی اے: مطلق صفر دے نیڑے مادے بہت گھٹ گرمی رکھدے نیں، ایس لئی درجہ حرارت دے اُتار چڑھاؤ نوں ٹھلنا اوکھا اے۔ حل اربیئم (erbium) سی، جو 16 K اُتے فی حجم بے زنگ فولاد نالوں 6 گُنا تے تانبے نالوں 13 گُنا ودھ گرمی جمع کردا اے۔ ڈھالاں دیاں تہاں تے اربیئم دے ٹکڑے درجہ حرارت دی ہر تبدیلی نوں لگ بھگ چار دناں دے ویلے دے پیمانے تیکر ہولی کر دیندے نیں۔ کنٹرول والا سینسر 16.183 K اُتے رکھیا جاندا اے، تے اک آزاد سینسر اپنے نشانے توں اک درجے دے 100 دس لکھویں حصیاں اندر رہندا اے۔

ریکارڈ

دو ہور سلیکون کیوٹیاں تے اک سٹرونشیئم ایٹمی گھڑی نال ٹاکرے وچ، لیزر ایتھے تیکر اپڑدا اے:

• 6 K اُتے، 2 توں 50 سکنٹاں دی اوسط اُتے 7 × 10⁻¹⁸ دی کسری استحکام — اک نواں ریکارڈ: صرف لگ بھگ اک ہرٹز دے 1.4 ہزارویں حصے دا اُتار چڑھاؤ — تے 194 ٹیرا ہرٹز دی روشنی دی فریکوئنسی اُتے 2.5 ملی ہرٹز دی لکیر دی چوڑائی (linewidth، یعنی لیزر دی اپنی فریکوئنسی دا پھیلاؤ)؛
• 16 K اُتے، 9 × 10⁻¹⁸، 2.9 mHz دی لکیر دی چوڑائی، پر دناں دے پیمانے اُتے بہتر ورتارا۔

کیوٹی دے ہور ٹھنڈا ہون نال رولا گھٹدا اے، جو وکھاؤندا اے کہ لیزر اپنی متھی ہوئی حد تیکر اپڑ گیا اے: تہاں دا حرارتی رولا، نہ کہ کمبنی یا الیکٹرانکس۔

14 تے 7 دناں دیاں دو دوڑاں وچ، سٹرونشیئم گھڑی نے کیوٹی دے ہولی ہولی کھسکن دا پِچھا کیتا: 4 مائیکرو ہرٹز فی سکنٹ توں گھٹ، جو ہائیڈروجن میسر (ویلا ناپن والیاں لیبارٹریاں دا معیاری ڈولک) دے برابر اے تے 124 K اُتے چلن والیاں سلیکون کیوٹیاں نالوں دس گُنا گھٹ۔ کیوٹی ٹھنڈا ہون توں نَو مہینے بعد ایتھے تیکر اپڑی؛ 124 K والیاں کیوٹیاں نوں اک دہاکا لگیا سی۔

ایٹماں اُتے سکنٹاں لمی نظر

لیزر پہلاں ای کم اُتے اے۔ سٹرونشیئم دی جالی والی گھڑی (lattice clock — لیزر روشنی دی اک جالی وچ پھسائے ایٹم) چلاؤندیاں، ایہہ ایٹماں نوں 10 سکنٹاں توں ودھ پرکھن دیندا اے — تے پرکھ جِنی لمی، ایٹماں دی لکیر اونی ای پتلی، یعنی گھڑی اوہدا وچکار اونا ای ٹھیک لبھ سکدی اے۔ 12 سکنٹاں بعد وی مداخلتی اشارہ (Ramsey fringes) اپنے کنٹراسٹ دا 75% سانبھی رکھدا اے، تے 12.4 سکنٹ دی اکو دھڑک صرف 64 ملی ہرٹز چوڑی لکیر دیندی اے۔ گھڑی وچ ورتی جان والی سٹرونشیئم-87 دی اُبھری حالت (excited state) لگ بھگ 170 سکنٹ جیوندی اے — پرکھ دے ویلیاں لئی اگلی سرحد۔

10⁻¹⁸ ول

نواں لیزر JILA دے پچھلے معیاری حوالے دی تھاں لوے گا تے، لکھاریاں دے مطابق، بولڈر دے جال دیاں ساریاں آپٹیکل گھڑیاں نوں کسے دتی ہوئی درستی تیکر دس گُنا تیکر چھیتی اپڑن دیوے گا۔ کرسٹل والیاں شیشے دیاں تہاں 6 K اُتے حرارتی رولے نوں لگ بھگ 1.5 × 10⁻¹⁸ تیکر گھٹا سکدیاں نیں؛ ہور ٹھنڈیاں، ہور لمیاں کیوٹیاں یا ہور چوڑیاں شعاعاں ایہنوں 1 × 10⁻¹⁸ یا اوہدے توں تھلے دھک سکدیاں نیں۔ اک بھیت باقی اے: 100 سکنٹاں توں پرے واد رولا، جیہدا ماخذ کرائیوسٹیٹ دے اندر کوئی سینسر ہالے لبھ نہیں سکیا۔