Ερευνητές στις ΗΠΑ και τη Γερμανία παρουσίασαν ένα θεωρητικό σχέδιο για ένα ατομικό ρολόι που λειτουργεί με τη βοήθεια ενός εξαιρετικά συγχρονισμένου λέιζερ, στο οποίο τα άτομα λειτουργούν συντονισμένα και όχι ανεξάρτητα.
Δημοσιεύοντας τα αποτελέσματά τους στο περιοδικό Physical Review Letters, ο Jarrod Reilly από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, ο Simon Jäger από το Πανεπιστήμιο της Βόννης και οι συνεργάτες τους στις ΗΠΑ και τη Γερμανία αναβίωσαν μια ιδέα που είχε προταθεί για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1990 — χαράζοντας ενδεχομένως τον δρόμο προς τα λέιζερ με το στενότερο εύρος γραμμής που έχουν επιτευχθεί ποτέ.
Υπερακτινοβολούντα λέιζερ και ατομικά ρολόγια
Σε ένα συμβατικό λέιζερ, ένας κοιλώδης θάλαμος με καθρέφτες ανακλά το φως μπρος-πίσω μεταξύ των ατόμων, δημιουργώντας μια φωτεινή, συνεκτική δέσμη. Ένα υπερακτινοβολούν λέιζερ λειτουργεί διαφορετικά: αντί να βασίζεται στον θάλαμο για τη διατήρηση της συνεκτικότητας, τα ίδια τα άτομα λειτουργούν ως μεμονωμένοι συντονισμένοι εκπομπείς, συγχρονίζοντας συλλογικά την εκπομπή φωτός τους.
Μετά τις πρώτες θεωρητικές ιδέες που εμφανίστηκαν τη δεκαετία του 1990, η έννοια δεν απέκτησε συγκεκριμένη δυναμική μέχρι το 2008, όταν ερευνητές του Πανεπιστημίου του Κολοράντο πρότειναν ότι τα υπερακτινοβολικά λέιζερ θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως ένα νέο είδος ατομικού ρολογιού.
Τα ατομικά ρολόγια λειτουργούν χρησιμοποιώντας λέιζερ για να ανιχνεύσουν μια πολύ ακριβή μετάβαση σε ένα άτομο, προκαλώντας τη μετάβαση των ηλεκτρονίων μεταξύ ενεργειακών επιπέδων σε μια εξαιρετικά σταθερή συχνότητα. Επειδή ένα υπερακτινοβόλο λέιζερ αποθηκεύει τη συνοχή του στα άτομα και όχι στην κοιλότητα, η συχνότητα εξόδου του είναι πολύ λιγότερο ευάλωτη σε περιβαλλοντικές διαταραχές όπως δονήσεις ή διακυμάνσεις θερμοκρασίας.
Όπως εξηγεί ο Reilly, «τα υπερακτινοβολικά λέιζερ είναι εξαιρετικά ελπιδοφόρα για χρήση ως νέα γενιά ατομικών ρολογιών, επειδή έχουν απίστευτα μικρό πλάτος γραμμής (μικρή αβεβαιότητα στη συχνότητα) και είναι πολύ ανθεκτικά στα σφάλματα χρονισμού που προκαλούνται από μικρές μετατοπίσεις της συχνότητας του φωτός του ρολογιού λόγω του περιβάλλοντος».
Ωστόσο, παρόλο που αυτή η ιδέα αποδείχθηκε πειραματικά για πρώτη φορά το 2012 σε παλμικό καθεστώς, η επίδραση της θέρμανσης έχει εμποδίσει μέχρι στιγμής τα υπερακτινοβολικά λέιζερ να αξιοποιήσουν πλήρως το δυναμικό τους.
Για να συνεχίσει το λέιζερ να λειτουργεί συνεχώς, όπως απαιτεί ένα ατομικό ρολόι, τα άτομα πρέπει να ανανεώνονται συνεχώς με ενέργεια. Το να γίνεται αυτό άτομο προς άτομο προκαλεί τυχαίες δονήσεις που θερμαίνουν το ατομικό δείγμα και διαταράσσουν τη διαδικασία εκπομπής λέιζερ, περιορίζοντάς την σε σύντομους παλμούς αντί για μια σταθερή δέσμη.
Προσθήκη ενός επιπλέον ενεργειακού επιπέδου
Στη μελέτη τους, η ομάδα του Reilly εξέτασε κατά πόσον μια τροποποίηση παλαιότερων θεωρητικών εννοιών θα μπορούσε να καταστήσει ένα λέιζερ συνεχούς λειτουργίας κατάλληλο για ένα ατομικό ρολόι. Σε όλες σχεδόν τις προηγούμενες μελέτες, τα άτομα αντιμετωπίζονταν ως απλά συστήματα δύο επιπέδων: ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται σε βασική κατάσταση, το οποίο περιστασιακά μεταπηδά σε μια διεγερμένη κατάσταση και επιστρέφει πάλι πίσω. Η ομάδα πρότεινε ότι το πρόβλημα της θέρμανσης θα μπορούσε να επιλυθεί με την προσθήκη μιας επιπλέον βασικής κατάστασης στο μοντέλο.
Σε ένα σύστημα δύο επιπέδων, εάν τόσο η διαδικασία άντλησης (επανενεργοποίησης) όσο και η διαδικασία αποσύνθεσης συμβαίνουν συλλογικά μέσω της κοιλότητας, η μαθηματική θεωρία περιορίζει το σύστημα με τρόπο που εμποδίζει τη σταθερή, συνεχή εκπομπή λέιζερ. Ωστόσο, με τρία διαθέσιμα επίπεδα, η άντληση και η αποσύνθεση μπορούν να λειτουργούν σε εντελώς ξεχωριστές μεταβάσεις, σπάζοντας αυτόν τον περιορισμό και επιτρέποντας στη συλλογική προσέγγιση να λειτουργήσει.
«Με αυτό το επιπλέον επίπεδο, η συλλογική αποσύνθεση και η συλλογική άντληση μπορούν να συμβούν μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων», εξηγεί ο Reilly. «Αυτό μας επιτρέπει να ξεπεράσουμε τα προβλήματα του μοντέλου της δεκαετίας του 1990, ενώ εξακολουθούμε να χρησιμοποιούμε μια συλλογική άντληση που προκαλεί πολύ λιγότερη θέρμανση από ό,τι συμβαίνει στα σχήματα άντλησης μεμονωμένων σωματιδίων».
Το λεπτότερο λέιζερ που έχει κατασκευαστεί ποτέ;
Με τη διεξαγωγή θεωρητικών υπολογισμών χρησιμοποιώντας παραμέτρους σχετικές με το στοιχείο βάριο, η ομάδα διαπίστωσε ότι το σχέδιό τους θα μπορούσε να παράγει ένα λέιζερ με πλάτος γραμμής (ένα μέτρο του πόσο ακριβώς ορίζεται η συχνότητά του) περίπου 100 μικροχέρτζ. Αυτό θα ήταν το στενότερο πλάτος γραμμής που έχει επιτευχθεί ποτέ για ένα οπτικό λέιζερ, που αντιστοιχεί σε ένα μήκος συνοχής (πόσο μακριά φτάνει το φως του λέιζερ πριν βγει εκτός φάσης) που εκτείνεται από τον Ήλιο μέχρι την τροχιά του Ουρανού.
Η ομάδα διερεύνησε επίσης πόσο ευαίσθητη είναι η συχνότητα του λέιζερ σε εξωτερικές διαταραχές. Αυτή η ιδιότητα, γνωστή ως «cavity pulling», περιγράφει πόσο έντονα η συχνότητα εξόδου παρασύρεται προς τη δική της συχνότητα συντονισμού της κοιλότητας. Τα συμβατικά λέιζερ είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε αυτό το φαινόμενο: παλαιότερα σχέδια υπερακτινοβολίας το μείωσαν σημαντικά, αλλά η προσέγγιση τριών επιπέδων του Reilly έχει ακόμα καλύτερα αποτελέσματα.
«Στο σχήμα μας, λόγω της πολυεπίπεδης φύσης του, διαπιστώσαμε ότι μπορούσαμε να ρυθμίσουμε το cavity pulling από θετικό σε αρνητικό με σχεδόν γραμμικό τρόπο», περιγράφει. «Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να ρυθμίσουμε το cavity pulling ώστε να είναι κατά τάξεις μεγέθους μικρότερο από ό,τι ήταν δυνατό στο παρελθόν, συμπεριλαμβανομένου ενός σημείου όπου το cavity pulling θεωρητικά φτάνει στο μηδέν».
Πέρα από τα ατομικά ρολόγια
Οι επιπτώσεις αυτού του αποτελέσματος θα μπορούσαν να εκτείνονται πολύ πέρα από τη μέτρηση του χρόνου. Ένα λέιζερ που δεν επηρεάζεται από τις περιβαλλοντικές μεταβολές συχνότητας θα αποτελούσε ένα ισχυρό εργαλείο στην οπτική παρεμβολομετρία — τη χρήση μοτίβων παρεμβολής του φωτός για την πραγματοποίηση εξαιρετικά ακριβών μετρήσεων.
«Το υπερακτινοβολούν λέιζερ μας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μια διάταξη οπτικής παρεμβολομετρίας», λέει ο Reilly. « Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων που δεν επηρεάζονται από το περιβάλλον, έτσι ώστε οι μεταβολές συχνότητας να προκαλούνται αποκλειστικά από τον καμπύλο χωροχρόνο του βαρυτικού κύματος.»
Επειδή το σχέδιό τους βασίζεται εξ ολοκλήρου στη συλλογική συμπεριφορά των ατόμων, η ομάδα σημειώνει επίσης ότι αυτό μπορεί να ανοίξει το δρόμο για ένα ενεργό πυρηνικό ρολόι, το οποίο χρησιμοποιεί μεταβάσεις εντός ενός ατομικού πυρήνα αντί για τα ηλεκτρόνια του. Εάν επιτευχθεί, η προσέγγισή τους θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για τα πιο ακριβή χρονόμετρα που έχουν κατασκευαστεί ποτέ.
