ఇప్పటివరకు నిర్మించిన అత్యంత స్థిరమైన లేజర్

అత్యుత్తమ అణు గడియారాలు అణువులు గ్రహించే కాంతి కంపనాలను లెక్కిస్తాయి. అలా చేయడానికి, వాటికి పౌనఃపున్యం దాదాపు కదలని లేజర్ కావాలి, తద్వారా అది అత్యంత ఇరుకైన అణు పరివర్తనలను పరిశీలించగలదు. నేటి అత్యంత స్థిరమైన లేజర్లు ఒక క్రయోజెనిక్ సిలికాన్ కుహరానికి (cryogenic silicon cavity) బంధించబడి ఉంటాయి: ఏక-స్ఫటిక సిలికాన్ కడ్డీతో దూరంగా ఉంచిన రెండు అద్దాలు, గది ఉష్ణోగ్రత కంటే చాలా దిగువకు చల్లబరిచినవి. అద్దాల మధ్య ఎగిరిపడే కాంతి అత్యంత ఖచ్చితమైన పౌనఃపున్యాల వద్ద మాత్రమే అనునాదిస్తుంది, లేజర్ వాటిని అనుసరించేలా బలవంతం చేయబడుతుంది.

అలాంటి కుహరాలు ఇప్పటికే 10⁻¹⁷ స్థాయిలో సాపేక్ష స్థిరత్వాన్ని చేరుకుంటాయి — అంటే పౌనఃపున్యం తన విలువలో ఒక బిలియన్‌వ వంతులో సుమారు పది కోట్లవ వంతు మేర మాత్రమే అటూఇటూ కదులుతుంది. చాలా ప్రయోగాల్లో, లేజర్ ఇప్పటికీ శబ్దానికి ప్రధాన మూలాల్లో ఒకటి — కాబట్టి మరింత స్థిరమైన లేజర్ కొలతను వెంటనే మెరుగుపరుస్తుంది.

వణికే అద్దాలు

అత్యుత్తమ సిలికాన్ కుహరాలను పరిమితం చేసేది అద్దపు పూతల్లోని బ్రౌనియన్ ఉష్ణ శబ్దం (Brownian thermal noise): సన్నని పరావర్తక పొరలు ఎప్పుడూ పూర్తిగా నిశ్చలంగా ఉండవు, ఎందుకంటే వేడి వాటి అణువులను వణికిస్తుంది. ఆ సూక్ష్మ కదలిక కుహరం పొడవును మారుస్తుంది, దానితో పాటు కాంతి రంగును కూడా.

JILA (NIST, కొలరాడో విశ్వవిద్యాలయం, బోల్డర్)కు చెందిన Ben Lewis, Jun Ye, వారి సహచరులు, జర్మనీలోని బ్రౌన్‌ష్వైగ్‌లో ఉన్న Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) భౌతిక శాస్త్రవేత్తలతో కలిసి, ఇంతకుముందు 21 సెంటీమీటర్ల సిలికాన్ కుహరాలకు రెండు మార్పులు చేశారు:

• మరింత చల్లగా. మునుపటి వ్యవస్థలు 124 K వద్ద నడిచాయి, సిలికాన్ వేడితో వ్యాకోచించడం లేదా సంకోచించడం ఆపే ఉష్ణోగ్రతల్లో ఇది ఒకటి. Si7 అని పేరు పెట్టిన కొత్త కుహరం అలాంటి మరో ఉష్ణోగ్రత అయిన 16 K వద్ద గానీ, దాని క్రయోస్టాట్ చేరుకోగల అత్యంత చల్లని ఉష్ణోగ్రత అయిన 6 K వద్ద గానీ నడుస్తుంది.
• మరింత వెడల్పైన కిరణపుంజం. తక్కువ వంపు ఉన్న వక్ర అద్దాన్ని (వక్రతా వ్యాసార్ధం 1 మీటర్‌కు బదులుగా 10.2 మీటర్లు) వాడటం వల్ల, అద్దాలపై కాంతి మచ్చ వ్యాసార్ధం 480 నుంచి 850 మైక్రోమీటర్లకు పెరుగుతుంది — కిరణపుంజాన్ని పెద్దది చేయడం ఉష్ణ శబ్దాన్ని తగ్గించే తెలిసిన మార్గాల్లో ఒకటి.

ఈ రెండూ కలిసి, మునుపటి వ్యవస్థలతో పోలిస్తే ఉష్ణ శబ్దాన్ని మూడు నుంచి ఐదు రెట్లు తగ్గిస్తాయి.

చలిలో కంపనాలతో పోరాటం

ఈ రెండు మార్పులూ సాధారణంగా కుహరాన్ని కంపనాలకు మరింత సున్నితంగా చేస్తాయి, పైగా 6 లేదా 16 K చేరుకోవడానికి ఒక హీలియం క్రయోకూలర్ అవసరం — అది కుదిపే యంత్రం. బృందం క్రయోకూలర్‌ను ఆప్టికల్ బల్ల పక్కన నేలపై ఉంచి, చల్లని హీలియంను పైపుల ద్వారా ప్రయోగం వరకు పంపింది. 6 మిల్లీమీటర్ల వ్యాసమున్న మూడు కెంపు గోళాలు కుహరాన్ని దాని మధ్యభాగంలో పట్టుకుంటాయి; అలా పట్టుకున్న కుహరం ఒక క్రియాశీల కంపన-వేర్పాటు బల్లపై ఉంటుంది.

చలి మరో సమస్యను తెస్తుంది: పరమ శూన్యానికి దగ్గరగా పదార్థాలు చాలా తక్కువ వేడిని నిల్వ చేస్తాయి, కాబట్టి ఉష్ణోగ్రత హెచ్చుతగ్గులను అణచడం కష్టం. పరిష్కారం ఎర్బియం, ఇది 16 K వద్ద ఘనపరిమాణానికి స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్ కంటే 6 రెట్లు, రాగి కంటే 13 రెట్లు ఎక్కువ వేడిని నిల్వ చేస్తుంది. కవచాల పొరలు, ఎర్బియం దిమ్మెలు ఏ ఉష్ణోగ్రత మార్పునైనా సుమారు నాలుగు రోజుల కాలమానానికి నెమ్మదింపజేస్తాయి. నియంత్రణ సెన్సర్‌ను 16.183 K వద్ద ఉంచుతారు, ఒక స్వతంత్ర సెన్సర్ తన లక్ష్యం నుంచి 100 మిలియన్‌వ వంతుల డిగ్రీ లోపల ఉంటుంది.

రికార్డు

మరో రెండు సిలికాన్ కుహరాలతో, ఒక స్ట్రాన్షియం అణు గడియారంతో పోల్చినప్పుడు, లేజర్ ఇవి చేరుకుంటుంది:

• 6 K వద్ద, 2 నుంచి 50 సెకన్ల సగటుపై 7 × 10⁻¹⁸ సాపేక్ష స్థిరత్వం — ఒక కొత్త రికార్డు: హెర్ట్జ్‌లో సుమారు 1.4 వేలవ వంతు మేర మాత్రమే హెచ్చుతగ్గులు — 194 టెరాహెర్ట్జ్ కాంతి పౌనఃపున్యంపై 2.5 మిల్లీహెర్ట్జ్ రేఖా వెడల్పు (లేజర్ సొంత పౌనఃపున్యపు వ్యాప్తి);
• 16 K వద్ద, 9 × 10⁻¹⁸, 2.9 mHz రేఖా వెడల్పు, కానీ రోజుల వ్యవధిలో మెరుగైన ప్రవర్తన.

కుహరం మరింత చల్లబడినప్పుడు శబ్దం తగ్గుతుంది, అంటే లేజర్ తన ఉద్దేశిత పరిమితిని చేరుకుందని ఇది చూపిస్తుంది: కంపనాలు లేదా ఎలక్ట్రానిక్స్ కాదు, పూతల ఉష్ణ శబ్దం.

14, 7 రోజుల రెండు రన్‌లలో, స్ట్రాన్షియం గడియారం కుహరపు నెమ్మదైన జరుగుదలను అనుసరించింది: సెకనుకు 4 మైక్రోహెర్ట్జ్ కంటే తక్కువ, హైడ్రోజన్ మేసర్‌తో (కాల ప్రయోగశాలల ప్రామాణిక డోలకం) పోల్చదగినది, 124 K వద్ద నడిచే సిలికాన్ కుహరాల కంటే పది రెట్లు తక్కువ. చల్లబరిచిన తొమ్మిది నెలల తర్వాత కుహరం అక్కడికి చేరుకుంది; 124 K కుహరాలకు ఒక దశాబ్దం పట్టింది.

అణువులపై సెకన్ల పాటు చూపు

లేజర్ ఇప్పటికే పనిలో ఉంది. స్ట్రాన్షియం లాటిస్ గడియారాన్ని (లేజర్ కాంతితో చేసిన జాలంలో బంధించిన అణువులు) నడుపుతూ, అది అణువులను 10 సెకన్లకు పైగా పరిశీలించడానికి వీలు కల్పిస్తుంది — పరిశీలన ఎంత ఎక్కువసేపు సాగితే, అణువుల రేఖ అంత సన్నగా మారుతుంది, కాబట్టి గడియారం దాని కేంద్రాన్ని అంత ఖచ్చితంగా కనుగొనగలదు. 12 సెకన్ల తర్వాత కూడా వ్యతికరణ సంకేతం (రామ్సే పట్టీలు) తన వ్యత్యాసంలో (contrast) 75%ను నిలుపుకుంటుంది, ఒకే 12.4 సెకన్ల పల్స్ కేవలం 64 మిల్లీహెర్ట్జ్ వెడల్పున్న రేఖను ఇస్తుంది. గడియారం వాడే స్ట్రాన్షియం-87 ఉత్తేజిత స్థితి సుమారు 170 సెకన్లు జీవిస్తుంది — పరిశీలన సమయాలకు తదుపరి సరిహద్దు.

10⁻¹⁸ వైపు

కొత్త లేజర్ JILA మునుపటి ప్రమాణాన్ని భర్తీ చేస్తుంది, రచయితల ప్రకారం, బోల్డర్ నెట్‌వర్క్‌లోని అన్ని ఆప్టికల్ గడియారాలు ఒక నిర్దిష్ట ఖచ్చితత్వాన్ని పది రెట్ల వరకు త్వరగా చేరుకునేలా చేస్తుంది. స్ఫటికాకార అద్దపు పూతలు 6 K వద్ద ఉష్ణ శబ్దాన్ని సుమారు 1.5 × 10⁻¹⁸కు తగ్గించగలవు; మరింత చల్లని, పొడవైన కుహరాలు లేదా వెడల్పైన కిరణపుంజాలు దాన్ని 1 × 10⁻¹⁸ లేదా అంతకంటే దిగువకు నెట్టగలవు. ఒక రహస్యం మిగిలే ఉంది: 100 సెకన్లు దాటిన తర్వాత వచ్చే అదనపు శబ్దం, దాని మూలాన్ని క్రయోస్టాట్ లోపలి ఏ సెన్సరూ ఇంకా గుర్తించలేకపోయింది.