Возвращение идеи из 90-х: физики придумали, как сделать сверхточные атомные часы портативными

Современные атомные часы на оптических решетках достигли очень высокого уровня точности. Они способны фиксировать изменения хода времени, вызванные гравитацией, на разнице высот всего в несколько миллиметров. Эта точность могла бы произвести революцию в навигации, геодезии и фундаментальной физике, если бы не одна критическая инженерная проблема: лучшие в мире часы невозможно вынести за пределы лаборатории.

Дело в том, как именно считывается информация с атомов. Для измерения времени физики используют лазер, частота которого должна быть идеально стабильной. Чтобы лазер светил ровно, его привязывают к оптическому резонатору — физической конструкции, состоящей из системы зеркал, расположенных на строго заданном расстоянии друг от друга.

Именно тут возникает непреодолимое препятствие. Любая физическая конструкция подвержена внешнему воздействию. Акустические шумы, сейсмические колебания и даже естественные тепловые флуктуации самих материалов заставляют зеркала микроскопически дрожать. Малейшее изменение расстояния между зеркалами мгновенно искажает частоту лазера, а значит, и точность часов. Сегодня для защиты резонаторов используются массивные системы изоляции, вакуумные камеры и криогенные установки. Все это делает сверхточные атомные часы громоздкими и хрупкими стационарными объектами.

Чтобы решить эту проблему, физики давно развивают альтернативную концепцию — так называемые активные атомные часы, или сверхизлучающие лазеры. Исследователи из Института JILA (NIST) и Университета Бонна опубликовали работу, в которой предложили теоретическое решение главной проблемы, мешавшей создать такие часы для непрерывной работы.

Отказ от внешнего лазера

Суть активных атомных часов заключается в том, чтобы убрать из системы внешний лазер и заставить сами атомы генерировать необходимый световой сигнал.

В определенных условиях ансамбль атомов может синхронизироваться на квантовом уровне. Вместо того чтобы излучать свет хаотично и независимо друг от друга, атомы начинают действовать как единое целое. Возникает эффект сверхизлучения: атомы коллективно генерируют мощный и когерентный лазерный луч. В такой системе информация о правильной частоте и фазе света хранится не в фотонах, отражающихся от вибрирующих зеркал, а в квантовом состоянии самих атомов.

Теоретический фундамент сверхизлучающих лазеров заложили еще в 1990-х годах. Физикам уже удавалось создавать такие системы, но они работали только в импульсном режиме: атомы выдавали короткую вспышку сверхизлучения, после чего процесс останавливался. Для создания полноценных часов необходим непрерывный луч. И именно здесь исследователи сталкивались с барьером, который казался непреодолимым.

Проблема теплового разрушения когерентности

Чтобы сверхизлучающий лазер работал непрерывно, атомы необходимо постоянно обеспечивать энергией — возвращать их из нижнего энергетического состояния обратно в возбужденное. Этот процесс называется накачкой.

В классических теоретических моделях атом рассматривался как система с двумя рабочими уровнями энергий. Физики выяснили, что если попытаться непрерывно накачивать энергией двухуровневую систему, возникает побочный эффект в виде спонтанного излучения. Возвращаясь в возбужденное состояние, атом с высокой долей вероятности может непредсказуемо сбросить лишний фотон в случайном направлении.

Согласно закону сохранения импульса, вылет фотона дает атому микроскопический физический толчок (эффект отдачи). Когда в газовом облаке миллионы атомов начинают хаотично получать такие толчки, кинетическая энергия системы резко возрастает. Газ нагревается. Хаотичное движение атомов мгновенно разрушает их квантовую синхронизацию, макроскопический диполь распадается, и коллективное излучение прекращается. Решить эту проблему простым увеличением мощности накачки невозможно — это лишь ускоряет процесс нагрева и разрушения системы.

Решение: многоуровневая архитектура переходов

Группа исследователей из JILA и Бонна предложила кардинально изменить геометрию энергетических потоков внутри системы. Вместо стандартной двухуровневой схемы они разработали математическую модель на основе многоуровневых атомов (с использованием элементов изотопа бария-135).

Главное нововведение заключается в добавлении вспомогательного основного энергетического состояния. Это позволило физикам разделить процесс накачки атома энергией и процесс излучения рабочего фотона на совершенно разные квантовые переходы.

В новой концепции цикл выглядит следующим образом. Атомы находятся в первом основном состоянии. Через вспомогательный резонатор они коллективно получают энергию и переходят в возбужденное состояние. Оказавшись там, они коллективно сбрасывают фотоны в главный резонатор (формируя тот самый стабильный лазерный луч) и переходят во второе основное состояние. Затем отдельное радиочастотное поле плавно переводит их обратно в первое состояние, замыкая цикл.

Такое разделение путей решает главную проблему. Процесс накачки становится полностью коллективным и согласованным. Вероятность случайного спонтанного излучения и последующего хаотичного толчка сводится к минимуму. Атомы больше не получают непредсказуемых импульсов отдачи, а значит, газ не нагревается. Система сохраняет строгую синхронизацию и способна поддерживать сверхизлучение непрерывно.

Абсолютная независимость от зеркал

Моделирование показало, что предложенная архитектура не только позволяет лазеру работать без перегрева, но и обеспечивает генерацию света с очень узкой шириной линии (около 100 микрогерц), что критически важно для точности измерения времени.

Но главным прорывом стало выявление феномена, который авторы статьи называют исчезающим затягиванием частоты. В любом существующем лазере частота выходного луча всегда является компромиссом между естественной частотой атома и физическим расстоянием между зеркалами резонатора. Если расстояние между зеркалами меняется из-за вибраций, частота лазера неизбежно смещается.

Расчеты новой многоуровневой системы доказали, что в ней существует обширный диапазон рабочих параметров, при которых влияние зеркал на частоту света снижается до беспрецедентно малых значений. Более того, физики математически обосновали наличие конкретных точек настройки, в которых чувствительность частоты луча к изменению расстояния между зеркалами падает до нуля.

В этом режиме генерируемый свет становится абсолютно невосприимчивым к тому, что происходит с физическим корпусом установки. Вибрации зеркал больше не имеют значения, так как частота луча диктуется исключительно стабильными квантовыми свойствами атомного ансамбля.

Перспективы технологии

На данный момент работа представляет собой строгую теоретическую основу, требующую подтверждения в сложных лабораторных экспериментах. Выбор атомов бария в качестве кандидатов для проверки не случаен — их структура идеально подходит для реализации описанных квантовых переходов.

Если экспериментаторам удастся воссоздать предложенную многоуровневую архитектуру, это откроет путь к созданию нового класса измерительных приборов. Активные оптические часы, независимые от тепловых и механических шумов резонатора, можно будет делать компактными и устойчивыми к внешним воздействиям.

Такие устройства позволят отказаться от необходимости постоянной синхронизации спутников навигации с наземными станциями, обеспечат сантиметровую точность в геодезическом мониторинге поверхности Земли и станут основой для космических миссий, изучающих гравитационные волны и фундаментальные законы Вселенной вдали от идеальных лабораторных условий.

Источник: arXiv