САМЫЙ СТАБИЛЬНЫЙ ЛАЗЕР ИЗ КОГДА-ЛИБО СОЗДАННЫХ

Лучшие атомные часы считают колебания света, поглощаемого атомами. Для этого им нужен лазер, частота которого почти не сдвигается, чтобы опрашивать чрезвычайно узкие атомные переходы. Самые стабильные лазеры сегодня привязаны к криогенному кремниевому резонатору: два зеркала, разнесённые бруском монокристаллического кремния, охлаждённым намного ниже комнатной температуры. Свет, отражающийся между зеркалами, резонирует только на очень точных частотах, и лазер вынужден им следовать.

Такие резонаторы уже достигают относительной стабильности на уровне 10⁻¹⁷ — частота блуждает примерно на стомиллионную долю от миллиардной доли своего значения. Во многих экспериментах лазер по-прежнему один из главных источников шума — так что более стабильный лазер сразу улучшает измерение.

Дрожащие зеркала

Лучшие кремниевые резонаторы ограничивает броуновский тепловой шум в покрытиях зеркал: тонкие отражающие слои никогда не бывают совершенно неподвижны, потому что тепло заставляет их атомы дрожать. Это крошечное движение меняет длину резонатора, а вместе с ней и цвет света.

Бен Льюис, Цзюнь Е и их коллеги из JILA (NIST и Университет Колорадо в Боулдере) вместе с физиками из Физико-технического федерального ведомства Германии (PTB) в Брауншвейге внесли два изменения в прежние 21-сантиметровые кремниевые резонаторы:

• Холоднее. Прежние системы работали при 124 К — одной из температур, при которых кремний перестаёт расширяться или сжиматься от тепла. Новый резонатор под названием Si7 работает либо при 16 К, другой такой температуре, либо при 6 К — самой низкой, какую может обеспечить его криостат.
• Шире пучок. Благодаря менее изогнутому зеркалу (радиус кривизны 10,2 метра вместо 1 метра) радиус светового пятна на зеркалах вырастает с 480 до 850 микрометров — расширение пучка один из известных способов снизить тепловой шум.

Вместе эти изменения снижают тепловой шум в три–пять раз по сравнению с прежними системами.

Борьба с вибрациями в холоде

Оба изменения обычно делают резонатор более чувствительным к вибрациям, а для достижения 6 или 16 К нужен гелиевый криокулер — машина, которая трясётся. Команда поставила криокулер на пол рядом с оптическим столом и подвела холодный гелий к эксперименту по трубам. Резонатор стоит на столе с активной виброизоляцией и опирается серединой на три рубиновых шарика диаметром 6 миллиметров.

Холод приносит и другую проблему: вблизи абсолютного нуля материалы запасают очень мало тепла, поэтому колебания температуры трудно гасить. Решением стал эрбий, который при 16 К запасает на единицу объёма в 6 раз больше тепла, чем нержавеющая сталь, и в 13 раз больше, чем медь. Слои экранов и массы эрбия замедляют любое изменение температуры до масштаба порядка четырёх суток. Управляющий датчик держится при 16,183 К, а независимый датчик остаётся в пределах 100 миллионных долей градуса от заданного значения.

Рекорд

В сравнении с двумя другими кремниевыми резонаторами и стронциевыми атомными часами лазер достигает:

• при 6 К — относительной стабильности 7 × 10⁻¹⁸ при усреднении от 2 до 50 секунд — новый рекорд: флуктуации всего около 1,4 тысячной герца — и ширины линии (разброса собственной частоты лазера) 2,5 миллигерца на частоте света 194 терагерца;
• при 16 К — 9 × 10⁻¹⁸, ширины линии 2,9 мГц, но лучшего поведения на протяжении нескольких суток.

Шум падает, когда резонатор становится холоднее, — это показывает, что лазер вышел на задуманный предел: тепловой шум покрытий, а не вибрации или электронику.

В двух сериях длительностью 14 и 7 суток стронциевые часы отслеживали медленный дрейф резонатора: меньше 4 микрогерц в секунду — сравнимо с водородным мазером (опорным генератором лабораторий времени) и в десять раз меньше, чем у кремниевых резонаторов, работающих при 124 К. Резонатор достиг этого уровня через девять месяцев после охлаждения; резонаторам при 124 К понадобилось десятилетие.

Секундные взгляды на атомы

Лазер уже в работе. Управляя стронциевыми часами на оптической решётке (атомы удерживаются в решётке из лазерного света), он позволяет опрашивать атомы дольше 10 секунд — а чем дольше опрос, тем уже линия атомов и тем точнее часы находят её центр. Через 12 секунд интерференционный сигнал (рамсеевские полосы) всё ещё сохраняет 75% своего контраста, а один импульс длительностью 12,4 секунды даёт линию шириной всего 64 миллигерца. Возбуждённое состояние стронция-87, используемое в часах, живёт около 170 секунд — это следующий рубеж для времени опроса.

К 10⁻¹⁸

Новый лазер заменит прежний эталон JILA и, по словам авторов, позволит всем оптическим часам боулдерской сети достигать заданной точности до десяти раз быстрее. Кристаллические покрытия зеркал могли бы снизить тепловой шум примерно до 1,5 × 10⁻¹⁸ при 6 К; более холодные и длинные резонаторы или более широкие пучки могли бы довести его до 1 × 10⁻¹⁸ и ниже. Одна загадка остаётся: дополнительный шум на временах больше 100 секунд, источник которого пока не может определить ни один датчик внутри криостата.