ŞİMDİYE KADAR YAPILMIŞ EN KARARLI LAZER

En iyi atom saatleri, atomların soğurduğu ışığın titreşimlerini sayar. Bunu yapabilmek için, son derece dar atomik geçişleri yoklayabilecek, frekansı neredeyse hiç kıpırdamayan bir lazere ihtiyaç duyarlar. Bugünün en kararlı lazerleri bir kriyojenik silisyum kaviteye kilitlenir: oda sıcaklığının çok altına soğutulmuş tek kristal silisyumdan bir çubukla birbirinden ayrı tutulan iki ayna. Aynalar arasında gidip gelen ışık yalnızca çok kesin frekanslarda rezonansa girer ve lazer bunları izlemeye zorlanır.

Bu tür kaviteler 10⁻¹⁷ düzeyinde bir kesirsel kararlılığa zaten ulaşıyor — frekans, değerinin yaklaşık milyarda birinin yüz milyonda biri kadar oynuyor. Birçok deneyde lazer hâlâ başlıca gürültü kaynaklarından biri — dolayısıyla daha kararlı bir lazer ölçümü doğrudan iyileştirir.

Titreşen aynalar

En iyi silisyum kaviteleri sınırlayan şey, ayna kaplamalarındaki Brown ısıl gürültüsüdür (Brownian thermal noise): ince yansıtıcı katmanlar hiçbir zaman tam olarak hareketsiz değildir, çünkü ısı atomlarını titreştirir. Bu minik hareket kavitenin uzunluğunu, onunla birlikte de ışığın rengini değiştirir.

JILA’dan (NIST ve Colorado Üniversitesi, Boulder) Ben Lewis, Jun Ye ve meslektaşları, Almanya’nın Braunschweig kentindeki Physikalisch-Technische Bundesanstalt’tan (PTB) fizikçilerle birlikte, önceki 21 santimetrelik silisyum kavitelerde iki değişiklik yaptı:

Daha soğuk. Önceki sistemler, silisyumun ısıyla genleşmeyi ya da büzülmeyi bıraktığı sıcaklıklardan biri olan 124 K’de çalışıyordu. Si7 adı verilen yeni kavite ya bu türden diğer sıcaklık olan 16 K’de ya da kriyostatının ulaşabildiği en soğuk değer olan 6 K’de çalışıyor.
Daha geniş bir ışın. daha az kavisli bir ayna (eğrilik yarıçapı 1 metre yerine 10,2 metre) kullanılarak aynalardaki ışık lekesinin yarıçapı 480’den 850 mikrometreye büyütülüyor — ışını genişletmek, ısıl gürültüyü düşürmenin bilinen yollarından biri.

Bu iki değişiklik birlikte ısıl gürültüyü önceki sistemlere göre üç ila beş kat azaltıyor.

Soğukta titreşimlerle mücadele

Her iki değişiklik de normalde bir kaviteyi titreşimlere daha duyarlı kılar ve 6 ya da 16 K’ye ulaşmak bir helyum kriyosoğutucusu gerektirir — sarsıntı yapan bir makine. Ekip kriyosoğutucuyu optik masanın yanında yere koydu ve soğuk helyumu borularla deneye taşıdı. Kavite bir aktif titreşim yalıtım masası üzerinde duruyor ve ortasından 6 milimetre çapında üç yakut küreyle tutuluyor.

Soğuk başka bir sorun da getiriyor: malzemeler mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çok az ısı tutar, bu yüzden sıcaklık dalgalanmalarını sönümlemek zordur. Çözüm erbiyum oldu: 16 K’de birim hacim başına paslanmaz çelikten 6 kat, bakırdan 13 kat fazla ısı depoluyor. Kalkan katmanları ve erbiyum kütleleri, her türlü sıcaklık değişimini yaklaşık dört günlük bir zaman ölçeğine kadar yavaşlatıyor. Kontrol algılayıcısı 16,183 K’de tutuluyor ve bağımsız bir algılayıcı hedefinin derecenin milyonda 100’ü kadar yakınında kalıyor.

Rekor

İki başka silisyum kavite ve bir stronsiyum atom saatiyle karşılaştırıldığında lazer şunlara ulaşıyor:

6 K’de, 2 ila 50 saniyelik ortalamada 7 × 10⁻¹⁸ kesirsel kararlılık — yeni bir rekor: dalgalanmalar yalnızca bir hertzin yaklaşık binde 1,4’ü kadar — ve 194 terahertz’lik bir ışık frekansında 2,5 milihertz’lik bir çizgi genişliği (lazerin kendi frekansının yayılımı);
16 K’de 9 × 10⁻¹⁸, 2,9 mHz’lik çizgi genişliği, ama günler ölçeğinde daha iyi bir davranış.

Kavite soğudukça gürültü düşüyor; bu da lazerin hedeflenen sınırına ulaştığını gösteriyor: titreşimler ya da elektronik değil, kaplamaların ısıl gürültüsü.

14 ve 7 günlük iki çalıştırma boyunca stronsiyum saati kavitenin yavaş kaymasını izledi: saniyede 4 mikrohertz’ten az; bu, bir hidrojen maserine (zaman laboratuvarlarının referans osilatörü) benzer ve 124 K’de çalışan silisyum kavitelerden on kat daha az. Kavite bu düzeye, soğutulmasından dokuz ay sonra ulaştı; 124 K kavitelerde bu on yıl sürmüştü.

Atomlara saniyelerce bakış

Lazer şimdiden iş başında. Stronsiyum optik örgü saatini (lazer ışığından bir ızgarada tutulan atomlar) sürerek atomların 10 saniyeden uzun süre yoklanmasını sağlıyor — ve yoklama ne kadar uzun sürerse atomların çizgisi o kadar incelir, böylece saat merkezini o kadar hassas bulabilir. 12 saniye sonra girişim sinyali (Ramsey saçakları) kontrastının hâlâ %75’ini koruyor ve tek bir 12,4 saniyelik darbe yalnızca 64 milihertz genişliğinde bir çizgi veriyor. Saatin kullandığı stronsiyum-87’nin uyarılmış durumu yaklaşık 170 saniye yaşıyor — sorgulama süreleri için bir sonraki sınır.

10⁻¹⁸’e doğru

Yeni lazer, JILA’nın önceki referansının yerini alacak ve yazarlara göre Boulder ağındaki tüm optik saatlerin belirli bir hassasiyete on kata kadar daha erken ulaşmasını sağlayacak. Kristal ayna kaplamaları 6 K’de ısıl gürültüyü yaklaşık 1,5 × 10⁻¹⁸’e indirebilir; daha soğuk, daha uzun kaviteler ya da daha geniş ışınlar onu 1 × 10⁻¹⁸’e ya da altına itebilir. Bir gizem sürüyor: 100 saniyenin ötesinde, kaynağını kriyostatın içindeki hiçbir algılayıcının henüz saptayamadığı fazladan bir gürültü.