اب تک بنایا گیا سب سے مستحکم لیزر

بہترین ایٹمی گھڑیاں ایٹموں کی جذب کردہ روشنی کے ارتعاشات گنتی ہیں۔ اس کے لیے انہیں ایسا لیزر چاہیے جس کا تعدد بمشکل ہلے، تاکہ وہ انتہائی تنگ ایٹمی انتقالات (transitions) کو جانچ سکے۔ آج کے سب سے مستحکم لیزر ایک انتہائی سرد سلیکان کیویٹی (cryogenic silicon cavity) سے جکڑے جاتے ہیں: دو آئینے جنہیں یک بلوری سلیکان کی ایک سلاخ الگ رکھتی ہے، اور جسے کمرے کے درجۂ حرارت سے بہت نیچے ٹھنڈا کیا جاتا ہے۔ آئینوں کے درمیان اچھلتی روشنی صرف بہت درست تعدد پر گونجتی ہے، اور لیزر کو ان کی پیروی پر مجبور کیا جاتا ہے۔

ایسی کیویٹیاں پہلے ہی 10⁻¹⁷ کی سطح کا نسبتی استحکام حاصل کر لیتی ہیں — یعنی تعدد اپنی قدر کے ایک اربویں حصے کے تقریباً دس کروڑویں حصے جتنا بھٹکتا ہے۔ بہت سے تجربات میں لیزر اب بھی شور کے بڑے ذرائع میں سے ایک ہے — اس لیے زیادہ مستحکم لیزر پیمائش کو فوراً بہتر کر دیتا ہے۔

لرزتے آئینے

بہترین سلیکان کیویٹیوں کو جو چیز محدود کرتی ہے وہ آئینوں کی تہوں میں براؤنی حرارتی شور (Brownian thermal noise) ہے: باریک عاکس تہیں کبھی پوری طرح ساکن نہیں ہوتیں، کیونکہ حرارت ان کے ایٹموں کو لرزاتی ہے۔ یہ ننھی حرکت کیویٹی کی لمبائی بدل دیتی ہے، اور اس کے ساتھ روشنی کا رنگ بھی۔

JILA (NIST اور یونیورسٹی آف کولوراڈو، بولڈر) کے بین لیوس، جون یے اور ان کے ساتھیوں نے، جرمنی کے شہر براؤنشوائگ میں Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) کے طبیعیات دانوں کے ساتھ مل کر، پچھلی 21 سینٹی میٹر کی سلیکان کیویٹیوں میں دو تبدیلیاں کیں:

• زیادہ ٹھنڈا۔ پچھلے نظام 124 K پر چلتے تھے، جو ان درجۂ حرارت میں سے ایک ہے جن پر سلیکان حرارت سے پھیلنا یا سکڑنا بند کر دیتا ہے۔ نئی کیویٹی، جس کا نام Si7 ہے، یا تو 16 K پر چلتی ہے، جو ایسا دوسرا درجۂ حرارت ہے، یا 6 K پر، جو اس کے کرائیوسٹیٹ کی پہنچ کا سب سے ٹھنڈا درجہ ہے۔
• زیادہ چوڑی شعاع۔ کم خمیدہ آئینہ (انحنا کا نصف قطر 1 میٹر کے بجائے 10.2 میٹر) استعمال کرنے سے آئینوں پر روشنی کا دھبہ نصف قطر میں 480 سے 850 مائیکرومیٹر تک بڑھ جاتا ہے — شعاع کو چوڑا کرنا حرارتی شور کم کرنے کے معلوم طریقوں میں سے ایک ہے۔

دونوں مل کر حرارتی شور کو پچھلے نظاموں کے مقابلے میں تین سے پانچ گنا کم کر دیتی ہیں۔

سردی میں ارتعاش سے جنگ

دونوں تبدیلیاں عام طور پر کیویٹی کو ارتعاش کے لیے زیادہ حساس بنا دیتی ہیں، اور 6 یا 16 K تک پہنچنے کے لیے ہیلیئم کرائیوکولر درکار ہوتا ہے — ایک ایسی مشین جو لرزتی ہے۔ ٹیم نے کرائیوکولر کو بصری میز کے ساتھ فرش پر رکھا اور ٹھنڈی ہیلیئم پائپوں کے ذریعے تجربے تک پہنچائی۔ کیویٹی، جسے درمیان سے 6 ملی میٹر قطر کی یاقوت کی تین گولیاں تھامے ہوئے ہیں، ایک فعال ارتعاش سے بچاؤ والی میز پر رکھی ہے۔

سردی ایک اور مسئلہ لاتی ہے: مطلق صفر کے قریب مادے بہت کم حرارت رکھتے ہیں، اس لیے درجۂ حرارت کے اتار چڑھاؤ کو دبانا مشکل ہوتا ہے۔ حل اربیئم (erbium) تھا، جو 16 K پر فی حجم اسٹین لیس اسٹیل سے 6 گنا اور تانبے سے 13 گنا زیادہ حرارت ذخیرہ کرتا ہے۔ ڈھالوں کی تہیں اور اربیئم کے ٹکڑے درجۂ حرارت کی کسی بھی تبدیلی کو تقریباً چار دن کے وقتی پیمانے تک سست کر دیتے ہیں۔ کنٹرول سینسر کو 16.183 K پر رکھا جاتا ہے، اور ایک آزاد سینسر اپنے ہدف سے ایک درجے کے 100 دس لاکھویں حصوں کے اندر رہتا ہے۔

ریکارڈ

دو دوسری سلیکان کیویٹیوں اور ایک اسٹرونشیم ایٹمی گھڑی کے مقابلے میں یہ لیزر یہاں تک پہنچتا ہے:

• 6 K پر، 2 سے 50 سیکنڈ کی اوسط پر 7 × 10⁻¹⁸ کا نسبتی استحکام — ایک نیا ریکارڈ: اتار چڑھاؤ صرف ایک ہرٹز کے تقریباً 1.4 ہزارویں حصے جتنا — اور 194 ٹیرا ہرٹز کے روشنی کے تعدد پر 2.5 ملی ہرٹز کی لکیری چوڑائی (لیزر کے اپنے تعدد کا پھیلاؤ)؛
• 16 K پر، 9 × 10⁻¹⁸، 2.9 mHz کی لکیری چوڑائی، لیکن دنوں کے دورانیے میں بہتر رویہ۔

کیویٹی کے زیادہ ٹھنڈا ہونے پر شور کم ہو جاتا ہے، جو دکھاتا ہے کہ لیزر اپنی مطلوبہ حد تک پہنچ گیا ہے: تہوں کا حرارتی شور، نہ کہ ارتعاش یا الیکٹرانکس۔

14 اور 7 دن کے دو دوروں میں اسٹرونشیم گھڑی نے کیویٹی کے سست کھسکاؤ کا پیچھا کیا: 4 مائیکرو ہرٹز فی سیکنڈ سے کم، جو ہائیڈروجن میزر (وقت کی تجربہ گاہوں کا معیاری مرتعش) کے برابر ہے اور 124 K پر چلنے والی سلیکان کیویٹیوں سے دس گنا کم۔ کیویٹی ٹھنڈا ہونے کے نو مہینے بعد یہاں تک پہنچی؛ 124 K والی کیویٹیوں کو ایک دہائی لگی تھی۔

ایٹموں پر سیکنڈوں لمبی نظر

لیزر پہلے ہی کام پر ہے۔ اسٹرونشیم کی جالی دار (lattice) گھڑی (لیزر روشنی کے ایک جال میں قید ایٹم) چلاتے ہوئے یہ ایٹموں کو 10 سیکنڈ سے زیادہ جانچنے دیتا ہے — اور جانچ جتنی لمبی ہو، ایٹموں کی لکیر اتنی ہی باریک ہوتی ہے، اس لیے گھڑی اس کا مرکز اتنی ہی درستی سے ڈھونڈ سکتی ہے۔ 12 سیکنڈ بعد بھی مداخلتی اشارہ (رامزی دھاریاں) اپنے تضاد کا 75% برقرار رکھتا ہے، اور 12.4 سیکنڈ کی ایک اکیلی نبض صرف 64 ملی ہرٹز چوڑی لکیر دیتی ہے۔ گھڑی میں استعمال ہونے والی اسٹرونشیم-87 کی ہیجان زدہ حالت تقریباً 170 سیکنڈ جیتی ہے — جانچ کے دورانیوں کی اگلی سرحد۔

10⁻¹⁸ کی جانب

نیا لیزر JILA کے پچھلے معیار کی جگہ لے گا اور مصنفین کے مطابق بولڈر نیٹ ورک کی تمام بصری گھڑیوں کو کسی مقررہ درستگی تک دس گنا تک جلدی پہنچنے دے گا۔ آئینوں کی بلوری تہیں 6 K پر حرارتی شور کو تقریباً 1.5 × 10⁻¹⁸ تک کم کر سکتی ہیں؛ زیادہ ٹھنڈی، زیادہ لمبی کیویٹیاں یا زیادہ چوڑی شعاعیں اسے 1 × 10⁻¹⁸ یا اس سے نیچے لے جا سکتی ہیں۔ ایک معما باقی ہے: 100 سیکنڈ سے آگے کا اضافی شور، جس کے ماخذ کی نشاندہی کرائیوسٹیٹ کے اندر کا کوئی سینسر ابھی نہیں کر سکتا۔