«Наука в Сибири» 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 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 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
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 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 стр. 3 |