இதுவரை உருவாக்கப்பட்டதிலேயே மிக நிலையான லேசர்

மிகச் சிறந்த அணுக் கடிகாரங்கள், அணுக்கள் உறிஞ்சும் ஒளியின் அதிர்வுகளை எண்ணுகின்றன. அதற்கு, மிகக் குறுகிய அணு நிலைமாற்றங்களை ஆராயக்கூடிய, அதிர்வெண் அரிதாகவே அசையும் ஒரு லேசர் அவற்றுக்குத் தேவை. இன்றைய மிக நிலையான லேசர்கள் ஒரு தாழ்வெப்பச் சிலிக்கான் குழியுடன் (cryogenic silicon cavity) பூட்டப்படுகின்றன: ஒற்றைப் படிகச் சிலிக்கான் கம்பி ஒன்றால் பிரித்து வைக்கப்பட்டு, அறை வெப்பநிலைக்கு வெகு கீழே குளிர்விக்கப்பட்ட இரண்டு கண்ணாடிகள். கண்ணாடிகளுக்கு இடையே முன்னும் பின்னும் தெறிக்கும் ஒளி மிகத் துல்லியமான அதிர்வெண்களில் மட்டுமே ஒத்ததிர்கிறது; லேசர் அவற்றைப் பின்பற்றக் கட்டாயப்படுத்தப்படுகிறது.

இப்படிப்பட்ட குழிகள் ஏற்கெனவே 10⁻¹⁷ அளவிலான பின்ன நிலைத்தன்மையை எட்டுகின்றன — அதாவது அதிர்வெண், தன் மதிப்பின் ஒரு பில்லியனில் ஒரு பங்கின் சுமார் பத்து கோடியில் ஒரு பங்கு அளவுக்கு அலைபாய்கிறது. பல சோதனைகளில், லேசர் இன்னும் இரைச்சலின் முக்கிய மூலங்களில் ஒன்றாக இருக்கிறது — எனவே இன்னும் நிலையான ஒன்று அளவீட்டை உடனடியாக மேம்படுத்துகிறது.

நடுங்கும் கண்ணாடிகள்

மிகச் சிறந்த சிலிக்கான் குழிகளைக் கட்டுப்படுத்துவது, கண்ணாடிப் பூச்சுகளிலுள்ள பிரௌனிய வெப்ப இரைச்சல் (Brownian thermal noise): மெல்லிய பிரதிபலிக்கும் அடுக்குகள் ஒருபோதும் முழுமையாக அசைவற்று இருப்பதில்லை, ஏனெனில் வெப்பம் அவற்றின் அணுக்களை நடுங்கச் செய்கிறது. அந்தச் சிறு இயக்கம் குழியின் நீளத்தையும், அதனுடன் ஒளியின் நிறத்தையும் மாற்றுகிறது.

JILA (NIST, கொலராடோ பல்கலைக்கழகம், போல்டர்)-வைச் சேர்ந்த Ben Lewis, Jun Ye மற்றும் சகாக்கள், ஜெர்மனியின் பிரான்ஷ்வைக்கில் உள்ள Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)-இன் இயற்பியலாளர்களுடன் சேர்ந்து, முந்தைய 21 சென்டிமீட்டர் சிலிக்கான் குழிகளில் இரண்டு மாற்றங்களைச் செய்தனர்:

• இன்னும் குளிர். முந்தைய அமைப்புகள், சிலிக்கான் வெப்பத்தால் விரிவதையோ சுருங்குவதையோ நிறுத்தும் வெப்பநிலைகளில் ஒன்றான 124 K-இல் இயங்கின. Si7 என்று பெயரிடப்பட்ட புதிய குழி, அத்தகைய மற்றொரு வெப்பநிலையான 16 K-இலோ, அதன் தாழ்வெப்பநிலைக் கலன் (cryostat) எட்டக்கூடிய மிகக் குளிரான 6 K-இலோ இயங்குகிறது.
• அகன்ற கற்றை. குறைவாக வளைந்த ஒரு கண்ணாடியைப் பயன்படுத்துவதால் (வளைவு ஆரம் 1 மீட்டருக்குப் பதிலாக 10.2 மீட்டர்), கண்ணாடிகளின் மீதான ஒளிப்புள்ளியின் ஆரம் 480-இலிருந்து 850 மைக்ரோமீட்டராக வளர்கிறது — கற்றையை அகலமாக்குவது வெப்ப இரைச்சலைக் குறைக்கும் அறியப்பட்ட வழிகளில் ஒன்று.

இவை இரண்டும் சேர்ந்து, முந்தைய அமைப்புகளுடன் ஒப்பிடுகையில் வெப்ப இரைச்சலை மூன்று முதல் ஐந்து மடங்கு குறைக்கின்றன.

குளிரில் அதிர்வுகளுடன் போராட்டம்

இரண்டு மாற்றங்களும் வழக்கமாக ஒரு குழியை அதிர்வுகளுக்கு அதிக உணர்திறன் கொண்டதாக்குகின்றன; 6 அல்லது 16 K-ஐ எட்ட ஒரு ஹீலியம் தாழ்வெப்பக் குளிர்விப்பான் (cryocooler) தேவை — அது அதிரும் ஒரு இயந்திரம். குழு அந்தக் குளிர்விப்பானை ஒளியியல் மேசையின் அருகே தரையில் வைத்து, குளிர்ந்த ஹீலியத்தைக் குழாய்கள் வழியாகச் சோதனைக்குக் கொண்டுசென்றது. 6 மில்லிமீட்டர் குறுக்களவு கொண்ட மூன்று மாணிக்கக் கோளங்கள் குழியை அதன் நடுப்பகுதியில் தாங்குகின்றன; அப்படித் தாங்கப்பட்ட குழி ஒரு செயல்முனைப்பு அதிர்வுத் தனிமைப்படுத்தல் மேசையின் (active vibration-isolation table) மீது அமர்ந்துள்ளது.

குளிர் மற்றொரு சிக்கலையும் கொண்டுவருகிறது: தனிச் சுழியத்துக்கு அருகில் பொருட்கள் மிகக் குறைந்த வெப்பத்தையே தக்கவைக்கின்றன; எனவே வெப்பநிலை ஏற்ற இறக்கங்களைத் தணிப்பது கடினம். தீர்வு எர்பியம் (erbium): 16 K-இல் அது ஒரு கன அளவுக்குத் துருப்பிடிக்காத எஃகை விட 6 மடங்கும், தாமிரத்தை விட 13 மடங்கும் அதிக வெப்பத்தைச் சேமிக்கிறது. கவச அடுக்குகளும் எர்பியம் திரள்களும் எந்த வெப்பநிலை மாற்றத்தையும் சுமார் நான்கு நாட்கள் என்ற கால அளவுக்கு மெதுவாக்குகின்றன. கட்டுப்பாட்டு உணரி 16.183 K-இல் வைக்கப்பட்டுள்ளது; ஒரு சுயாதீன உணரி தன் இலக்கிலிருந்து ஒரு பாகையின் 100 மில்லியனில் ஒரு பங்குகளுக்குள் இருக்கிறது.

சாதனை

வேறு இரண்டு சிலிக்கான் குழிகளுடனும் ஒரு ஸ்ட்ரான்சியம் அணுக் கடிகாரத்துடனும் ஒப்பிடுகையில், லேசர் எட்டுவது:

• 6 K-இல், 2 முதல் 50 நொடிகள் வரையிலான சராசரியில் 7 × 10⁻¹⁸ பின்ன நிலைத்தன்மை — புதிய சாதனை: சுமார் ஆயிரத்தில் 1.4 ஹெர்ட்ஸ் அளவு மட்டுமே ஏற்ற இறக்கங்கள் — மேலும் 194 டெராஹெர்ட்ஸ் ஒளி அதிர்வெண்ணில் 2.5 மில்லிஹெர்ட்ஸ் கோட்டு அகலம் (linewidth: லேசரின் சொந்த அதிர்வெண்ணின் பரவல்);
• 16 K-இல், 9 × 10⁻¹⁸, 2.9 mHz கோட்டு அகலம், ஆனால் நாட்கள் அளவில் சிறந்த நடத்தை.

குழி குளிரும்போது இரைச்சல் குறைகிறது; இது லேசர் தான் இலக்காகக் கொண்ட வரம்பை எட்டிவிட்டது என்பதைக் காட்டுகிறது: அதிர்வுகளோ மின்னணுவியலோ அல்ல, பூச்சுகளின் வெப்ப இரைச்சல்.

14, 7 நாட்கள் நீடித்த இரண்டு ஓட்டங்களில், ஸ்ட்ரான்சியம் கடிகாரம் குழியின் மெதுவான நகர்வைப் பின்தொடர்ந்தது: நொடிக்கு 4 மைக்ரோஹெர்ட்ஸுக்கும் குறைவு; இது ஒரு ஹைட்ரஜன் மேசருக்கு (maser — நேர ஆய்வகங்களின் குறிப்பு அலையியற்றி) ஒப்பானது; 124 K-இல் இயங்கும் சிலிக்கான் குழிகளை விட பத்து மடங்கு குறைவு. குளிர்விக்கப்பட்டு ஒன்பது மாதங்களில் குழி அந்த நிலையை எட்டியது; 124 K குழிகளுக்கு ஒரு பத்தாண்டு ஆனது.

அணுக்களின் மீது நொடிக்கணக்கிலான பார்வை

லேசர் ஏற்கெனவே வேலையில் இருக்கிறது. ஸ்ட்ரான்சியம் லேட்டிஸ் கடிகாரத்தை (lattice clock — லேசர் ஒளியாலான ஒரு வலைக்குள் சிக்கவைக்கப்பட்ட அணுக்கள்) இயக்கி, அணுக்களை 10 நொடிகளுக்கு மேல் ஆராய அது வழிவகுக்கிறது — ஆராய்வு எவ்வளவு நீள்கிறதோ, அணுக்களின் கோடு அவ்வளவு மெலிதாகிறது; எனவே கடிகாரம் அதன் மையத்தை அவ்வளவு துல்லியமாகக் கண்டறிய முடிகிறது. 12 நொடிகளுக்குப் பிறகும் குறுக்கீட்டுச் சமிக்ஞை (Ramsey fringes) தன் வேறுபாட்டில் (contrast) 75%-ஐத் தக்கவைத்துக்கொள்கிறது; ஒற்றை 12.4 நொடித் துடிப்பு வெறும் 64 மில்லிஹெர்ட்ஸ் அகலமுள்ள கோட்டைத் தருகிறது. கடிகாரம் பயன்படுத்தும் ஸ்ட்ரான்சியம்-87-இன் கிளர்வு நிலை (excited state) சுமார் 170 நொடிகள் நீடிக்கிறது — ஆராய்வு நேரங்களுக்கான அடுத்த எல்லை.

10⁻¹⁸-ஐ நோக்கி

புதிய லேசர் JILA-வின் முந்தைய குறிப்பு லேசருக்குப் பதிலாக அமையும்; ஆசிரியர்களின் கூற்றுப்படி, போல்டர் வலையமைப்பின் அனைத்து ஒளியியல் கடிகாரங்களும் ஒரு குறிப்பிட்ட துல்லியத்தைப் பத்து மடங்கு வரை விரைவாக எட்ட வழிவகுக்கும். படிகக் கண்ணாடிப் பூச்சுகள் 6 K-இல் வெப்ப இரைச்சலைச் சுமார் 1.5 × 10⁻¹⁸ வரை குறைக்கலாம்; இன்னும் குளிர்ந்த, நீண்ட குழிகளோ அகன்ற கற்றைகளோ அதை 1 × 10⁻¹⁸ அல்லது அதற்குக் கீழே தள்ளலாம். ஒரு மர்மம் எஞ்சியுள்ளது: 100 நொடிகளுக்கு அப்பால் கூடுதல் இரைச்சல்; அதன் மூலத்தைத் தாழ்வெப்பநிலைக் கலனுக்குள் உள்ள எந்த உணரியாலும் இன்னும் கண்டறிய முடியவில்லை.