ПРОДВИЖЕНИЕ В «СТРАНУ ТОЧНОСТИ»
В декабре в Стокгольме состоялось вручение Нобелевской премии по
физике 2005 года физику-теоретику Рою Глауберу (США) — за вклад
в квантовую теорию оптической когерентности, а также
совместно — Джону Холлу (США) и Теодору Хэншу (Германия) — за развитие
прецизионной лазерной спектроскопии, в частности, за метод
комбинационной лазерной спектроскопии в оптическом диапазоне.
В информационном сообщении Нобелевского комитета по физике особо
отмечен фундаментальный вклад в исследования по лазерной
спектроскопии основателя и первого директора Института лазерной
физики СО РАН академика Вениамина Чеботаева (1938-1992) и других
ученых института.
По просьбе корреспондента «НВС» о последних достижениях в этой
области физики, в том числе в Сибирском отделении РАН,
рассказывает доктор физико-математических наук Григорий
СУРДУТОВИЧ, многие годы работающий в области лазерной физики и
квантовой оптики.
— Огромный интерес физиков всего мира к прецизионной
спектроскопии связан не только с давно увлекающей физиков
уникальной перспективой реализации фундаментальных физических
экспериментов по проверке гипотез о возможном временном изменении
фундаментальных физических «констант»: постоянной тонкой
структуры, элементарного заряда, постоянной Планка и других.
Захватывают воображение и становящиеся теперь вполне реальными
технологические применения результатов прецизионной лазерной
спектроскопии в коммуникационных и навигационных системах
глобального позиционирования. Работы по созданию эталона времени,
пройдя целый ряд различных этапов, материализовались в систему
«атомных часов» на микроволновом переходе между уровнями
сверхтонкой структуры изотопа 133 атомов цезия, обеспечивающих
огромную относительную точность порядка 10-15. Иными словами,
такие часы допускают за время порядка 30 миллионов лет только
секундную неточность (не более двух секунд со времени
исчезновения на Земле динозавров!). Но даже и такая
«сверхпунктуальность» атомных часов оказывается для физиков
недостаточной. Если предположить, что характерное время изменения
фундаментальных физических констант сравнимо с возрастом
Вселенной (10-10 лет), то необходимая для постановки
фундаментальных экспериментов (с учетом характерного времени
жизни экспериментатора!) точность частотно-временных измерений
должна быть не хуже 10-18. В результате дальнейшее продвижение
исследователей в «страну точности» столкнулось с необходимостью
когерентной связи оптических и радиочастот — требовалось
развитие метода комбинационной лазерной спектроскопии.
В Сибирском отделении соответствующие работы по созданию
оптического стандарта времени («оптических часов») возглавляет
директор Института лазерной физики академик С. Багаев.
Прецизионная лазерная спектроскопия является приоритетным
направлением института в течение ряда лет. С участием сотрудников
нашего института (и это общепризнанно) разработана техника
комбинационной лазерной спектроскопии, так называемого
«оптического гребня». В методике создания «оптических часов»
используется непрерывная последовательность ультракоротких
(фемтосекундных) лазерных импульсов со строго фиксированным
временным интервалом между ними. Такой эффект возникает при
фазовой синхронизации многих миллионов мод лазера с широкой или
уширенной линией перехода. Когда ширина частотного спектра
подобного частокола импульсов сравняется с их несущей частотой,
возникает возможность вычитания двух оптических частот и перехода
в диапазон уже давно «обжитых» радиочастот. В настоящее время
«оптические часы» с использованием ультрахолодных атомов уже
обеспечили подобную или лучшую стабильность, чем атомные часы на
микроволновых переходах.
Принципиально важный импульс в соревновании различных вариантов
создания оптических часов дала выдвинутая три года назад идея
японского физика Х. Катори о переходе от систем одиночных
охлажденных частиц (ионов, атомов) к системам многочастичным.
Если заставить N частиц (атомов) функционировать одновременно, то
возникает N оптических часов работающих «параллельно» друг другу.
Их усредненное показание имеет в N1/2 раз большую точность по
сравнению с одними часами. Параллельная работа многих атомов в
механизме оптических часов подразумевает как их изолированность
от внешнего воздействия так и отсутствие взаимодействия между
собой. Такие условия оказалось возможным реализовать при
расположении захваченных ультрахолодных атомов в узлах
(пучностях) уже довольно хорошо исследованных так называемых
оптических решеток (optical lattices), возникающих при
пересечении стоячих световых волн. Узлы оптических решеток
представляют собой своеобразные «посадочные места» для
квазирезонансных атомов. Согласно данным системы google.com, в
интернете имеется более полумиллиона ссылок на сочетание слов
«optical lattices», и скорость роста таких ссылок составляет
примерно тысячу в сутки.
Одно из самых первых предложений о локализации холодных атомов и
выстраивании их в трехмерные решетки было сделано еще в 80-х
годах в работах группы Александра Петровича Казанцева
(1934-1989), основоположника теоретической лазерной физики в
Сибири и автора фундаментальной теории резонансного светового
давления. В 50-60-е годы он работал в Институте радиофизики и
электроники — первом институте физического профиля Сибирского
отделения АН СССР, созданном и руководимом одним из патриархов
отечественной физики Юрием Борисовичем Румером (1901-1985).
Именно Ю. Румер пригласил на работу в свой институт будущих
академиков А. Дыхне, В. Чеботаева и других блестящих физиков. В
этом институте был запущен первый в Сибири газовый лазер.
Оптические решетки, которые ранее вызывали интерес в основном с
точки зрения приложений в литографии, в системах оптических часов
могут, в принципе, обеспечить огромное увеличение отношения
сигнала к шуму. В этом случае особый интерес представляют
переходы со сверхузкими ширинами линий (например, дважды
запрещенные — по спину и угловому моменту — интеркомбинационные
переходы щелочно-земельных атомов), позволяющие увеличить до
секунд спектроскопическое время взаимодействия атома с полем.
Однако выбор подходящих атомов, их изотопов и конкретных
переходов оказался весьма нелегким делом. При практической
реализации идеи главное затруднение оказалось связанным с
противоречивостью требований, предъявляемым к захваченным в
решетку атомам: требование изолированности атома и двойной
запрещенности рабочего перехода чрезвычайно затрудняет
возможность их возбуждения.
Первые экспериментальные попытки реализации идеи часов на
оптических решетках, предпринятые в университете Токио и группой
Национального Института стандартов и технологии (НИСТ, США) были
связаны с нечетными изотопами стронция и иттербия. Сотрудники
Института лазерной физики СО РАН — молодые физики-теоретики
доктора физико-математических наук Валерий Юдин и Алексей
Тайченачев поддерживают многолетние связи с группой НИСТ в США.
Рассматриваемые до сих пор схемы частичного перемешивания уровней
сверхтонкой структуры нечетных изотопов щелочно-земельных атомов
как в Японии, так и в США предполагают двухступенчатое охлаждение
атомов в двух магнито-оптических ловушках. Такие
варианты столкнулись с чрезвычайно большими экспериментальными
трудностями из-за сверхчувствительности атомов к внешнему
магнитному полю: требовалась магнитная экранировка атомов решетки
вплоть до значений, в миллионы раз меньших сравнительно даже с
весьма слабым земным магнитным полем. Именно эти трудности
ограничили точность полученных и опубликованных в ведущем
физическом журнале в августе прошлого года экспериментальных
результатов группы НИСТ, работавшей с нечетными (171 и 173)
изотопами иттербия. Ширина линии оказалась более чем на пять
порядков больше предельной естественной ширины линии рабочего
интеркомбинационного перехода. Весьма перспективная вначале идея
использования оптических решеток атомов с интеркомбинационными
переходами зашла, казалось, в тупик и начала гаснуть…
 |
Д.ф.-м.н. Алексей Тайченачев и д.ф.-м.н. Валерий Юдин обсуждают
идею предстоящего эксперимента в одной из лабораторий ИЛФ СО РАН.
|
В этот момент Валерий Юдин и Алексей Тайченачев выдвинули
совершенно новую оригинальную идею магнито-индуцированной
спектроскопии запрещенных переходов, позволившую осуществить
поистине революционный прорыв в области практической реализации
часов на оптических решетках. Дело в том, что до сих пор всеми
исследователями автоматически исключались из рассмотрения
метрологически гораздо более перспективные четные (с нулевым
ядерным спином) изотопы этих же самых атомов из-за отсутствия
хоть сколько-нибудь реально осуществимой схемы лазерного
возбуждения таких изотопов. Оригинальная идея использования
слабого внешнего магнитного поля в системе четных изотопов
позволила решить одновременно две задачи — задачу прямого
лазерного возбуждения и задачу освобождения системы от
сверхчувствительности к внешнему магнитному полю.
Первая публикация идеи А. Тайченачева и В. Юдина
была осуществлена еще во
время их пребывания в командировке в США и практически
реализована группой НИСТа фактически немедленно, в течение
нескольких недель (совместная статья отправлена для публикации в
Phys.Rev.Lett.).
Реализованный, по предложению А. Тайченачева и В. Юдина, переход
на работу с четным изотопом иттербия 174 позволил улучшить
результаты по сравнению с августовской публикацией этой группы
сразу на три порядка! Идея магнито-индуцированной спектроскопии
оказалась чрезвычайно эффективной. Возможность когерентного
заселения дважды запрещенных
интеркомбинационных переходов при приложении слабых постоянных
магнитных (или электрических) полей и посредством только
однофотонного возбуждения (одного лазера) теперь дает «путевку в
жизнь» всем четным изотопам щелочно-земельных атомов и открывает
прямую дорогу к достижению рекордных значений точности оптических
часов (стандартов времени) порядка 10-18 и лучше.
Следует отметить еще одну чрезвычайно привлекательную особенность
схемы часов на дважды запрещенных переходах расположенных в
решетке атомов. Такая схема одновременно является идеальным
объектом для систем квантовой криптографии, в которых каждый атом
является носителем единичной квантовой информации (кубитом).
Две или более квантовых систем находятся в «перепутанном» (entangled)
состоянии, если их физические свойства нельзя описать
в виде произведения их волновых функций.
Достоинством системы упорядоченных в оптической решетке
сверххолодных атомов является возможность оперировать с ними как
индивидуально, так и со всеми вместе за счет эффекта
многочастичного квантового перепутывания. Перепутанные
состояния, столь естественные в микромире, при переходе к
макромиру обычно исчезают из-за разрушающих процессов
декогерентности, которыми в оптических решетках можно управлять
или свести к минимуму.
Семинар с представлением предложения А. Тайченачева и В. Юдина и
информацией об экспериментальной реализации этого предложения
прошел в Академгородке 8 декабря одновременно с лекциями
Нобелевских лауреатов 2005 года в Стокгольмском университете.
Быть может, такой entanglement имеет квантово-механическую
подоплеку и не совсем случаен…
Подготовила
Галина Шпак, «НВС»
стр. 3
| 
