Российские ученые разрабатывают стандарт частоты для атомных часов

Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета создают сверхточный оптический стандарт частоты для атомных часов, который будет соответствовать лучшим мировым достижениям в этой области. Работа проходила в рамках исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), а его результаты были опубликованы в девяти статьях в ведущих физических журналах, последние из которых можно прочитать в Journal of Physics: Conf. Series.

Цель работы ученых — создание сверхточного оптического стандарта частоты на основе ультрахолодных атомов магния. Это устройство состоит из ультрастабильного лазера. Это значит, что частота его излучения, то есть число гребней, которые за секунду проходят мимо наблюдателя или поступают в детектор, очень стабильна. Так, при стабильной частоте излучения можно создать в одном приборе эталоны частоты, времени и длины.

Практические применения сверхточных стандартов частоты весьма многообразны. Значительная их часть связана с тем, что такие стандарты являются «сердцем» сверхточных атомных часов, а точное время необходимо, в частности, для навигации на Земле и в космосе. Кроме того, сверхточные стандарты частоты являются естественными сенсорами гравитационного потенциала, что может быть использовано в геодезии и геофизике при поиске полезных ископаемых.

В ходе работы ученые «привязали» частоту излучения к частоте одного из «запрещенных» переходов в атомах магния. Запрещенные переходы — это переходы электрона атома на другие энергетические уровни, причем вероятность этих переходов намного меньше вероятности разрешенных переходов, которые еще иногда называют дипольными. Такие переходы обладают предельно малой естественной шириной, что делает их подходящим объектом для создания стандарта частоты. Атомы магния, в свою очередь, должны быть охлаждены лазерным излучением до сверхнизких температур порядка десяти мкК (микрокельвин), то есть почти до абсолютного нуля, и захвачены в оптической ловушке на размерах всего лишь несколько десятков нанометров. Все это необходимо для достижения высокой точности совпадения частоты ультрастабильного лазера с частотой реперного перехода, на котором и основываются шкалы измерения частот и времени атомных часов. Точность совпадения частоты принято характеризовать относительной погрешностью — это отношение отклонения частоты к самой частоте. «Мы стремимся к достижению относительной погрешности уровня 10^–17–10^–18, что соответствует лучшим мировым достижениям в этой области, полученным в последние несколько лет в оптических стандартах частоты на основе атомов стронция и иттербия, ионов алюминия и иттербия, но не атомов магния», — рассказал один из авторов статьи, руководитель проекта РНФ, директор Института лазерной физики СО РАН Алексей Тайченачев.

Во время выполнения проекта ученые создали лазерные системы для охлаждения атомов и прецизионной спектроскопии «запрещенных» переходов, ее еще называют спектроскопией сверхвысокого разрешения. Также ученые достигли температуры порядка пяти мК, что позволило исследователям осуществить «привязку» частоты ультрастабильного лазера к частоте перехода с погрешностью порядка 10^–16. Кроме того, разработаны новые методы лазерного охлаждения, которые позволят в ближайшем будущем достичь необходимых температур порядка десяти мкК, а также идет большая работа по развитию принципиально новых методов прецизионной спектроскопии «запрещенных» переходов. К этим методам относятся магнито–индуцированная спектроскопия, гипер–рамсеевская спектроскопия, спектроскопия синтетической частоты и их комбинации.

«Для реализации полного потенциала атомных часов необходимо создание глобальной квантовой сети высокоточной синхронизации, узлами которой будут являться сверхточные стандарты частоты. Это позволит, в частности, составить прецизионную карту гравитационного поля Земли, выйти на уровень точности 10^–19 за счет использования квантовых протоколов на базе "зацепленных" состояний и даже возможно "увидеть" прохождение волн загадочной темной материи через эту глобальную сеть», — заключил ученый.