Исследователи упростили конструкцию оптических атомных часов без ущерба для производительности

Исследователи продемонстрировали новые оптические атомные часы, которые используют один лазер и не требуют криогенных температур. Значительно уменьшив размер и сложность атомных часов без ущерба для точности и стабильности, этот прогресс может привести к созданию высокопроизводительных атомных часов, которые будут компактными и портативными.

«За последние два десятилетия было достигнуто много значительных успехов в повышении эффективности атомных часов следующего поколения», — сказал руководитель исследовательской группы Джейсон Джонс из Университета Аризоны.

«Однако многие из этих систем не подходят для использования в реальных приложениях. Чтобы вывести эту передовую технологию за пределы лаборатории, мы используем упрощенную конструкцию, в которой одночастотный гребенчатый лазер действует и как маятник часов, или тикающий механизм, и как зубчатая передача, отслеживающая время».

Частотные гребни — тип лазера, который излучает тысячи регулярно расположенных цветов или частот — произвели революцию в атомных часах и хронометрировании. В журнале Оптические БуквыДжонс и коллеги описывать оптические атомные часы, которые используют частотную гребенку для непосредственного возбуждения двухфотонного перехода в атомах рубидия-87. Они показывают, что эта новая конструкция достигает той же производительности, что и традиционные оптические атомные часы с двумя лазерами.

«Это достижение также может помочь усовершенствовать сеть GPS, которая использует атомные часы, установленные на спутниках, за счет повышения производительности и повышения доступности резервных или альтернативных часов», — сказал первый автор статьи Сет Эриксон.

«Это также первый шаг к внедрению высокопроизводительных атомных часов в повседневные приложения и даже в дома людей, что могло бы, например, позволить телекоммуникационной сети очень быстро переключаться между различными разговорами. Это могло бы позволить многим людям одновременно общаться по одним и тем же телекоммуникационным каналам и увеличить скорость передачи данных».

Упрощение расширенного хронометража

В оптических часах возбуждение атомных энергетических уровней лазером заставляет атомы переходить между определенными энергетическими уровнями. Точная частота этих переходов служит «тиканьем» часов, позволяя измерять время с высокой точностью. Хотя были разработаны портативные оптические атомные часы в масштабе чипа, самые точные и стабильные оптические часы используют атомы, захваченные при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы минимизировать движение атомов, что может изменить частоты лазерного света, испытываемые атомами.

Чтобы избежать необходимости в таком экстремальном охлаждении, Джонс и коллеги использовали атомные энергетические уровни, которые требуют поглощения двух фотонов — вместо одного фотона — для перехода на более высокий энергетический уровень. Когда фотоны посылаются с противоположных направлений в атом, эффекты движения на одном из этих фотонов отменяют любые эффекты движения на другом фотоне. Это позволяет использовать горячие (100°C) атомы и значительно упростить конструкцию часов.

«Главным новшеством этой работы является то, что вместо использования одноцветного лазера для отправки фотонов на атом с каждого направления, мы посылаем широкий спектр цветов из частотной гребенки», — сказал Джонс.

«Использование правильных пар фотонов с разными цветами из частотной гребенки позволяет им складываться так же, как это делают два фотона из одноцветного лазера, тем самым возбуждая атом аналогичным образом. Это устраняет необходимость в одноцветном лазере, еще больше упрощая атомные часы».

Исследователи говорят, что широкая доступность коммерческих частотных гребенок и надежных волоконных компонентов, таких как решетки Брэгга, на телекоммуникационных длинах волн значительно облегчила разработку этой новой конструкции. Они использовали волоконные решетки Брэгга, чтобы сузить широкополосный спектр частотного гребня до менее 100 ГГц, центрированный на атомном переходе рубидия-87. Этот узко отфильтрованный спектр увеличил перекрытие между выходом частотного гребня и спектром возбуждения для атомов рубидия-87.

Сравнение часов

Для проверки нового подхода исследователи сравнили две почти идентичные версии новых прямых частотных гребенчатых часов с традиционными часами, включавшими использование дополнительного одночастотного лазера. Новые часы показали стабильную производительность с нестабильностью 1,9×10⁻¹³ в 1 секунду и в среднем до 7,8(38)×10⁻¹⁵ при 2600 секундах. Эта производительность была аналогична производительности традиционных часов и другим опубликованным результатам с использованием одночастотной лазерной архитектуры.

Исследователи сейчас работают над улучшением конструкции своих оптических атомных часов, делая их меньше и стабильнее в долгосрочной перспективе, а также внедряя новые достижения в лазерной технологии. Подход с прямым частотным гребнем может также использоваться с другими двухфотонными атомными переходами, включая те, для которых в настоящее время отсутствуют малошумящие одночастотные лазеры.