Clockwork fizikus

Professzor Alexei Taichenachev elméleti fizikus és igazgatója az Institute of Physics Laser SB RAS, - a mérési idő legfeljebb 20 tizedesjegy pontossággal, tesztek alapvető elméletek és a vágy a tudományos munka

Alexey Taychenachev professzor, elméleti fizikus, lézerspektroszkópia, kvantumoptika és lézerhűtés szakértője a világ legpontosabb lézeres óráját tekintette meg. Azok pontosságát határozza meg a 16 nullák a tizedesvessző után, de Taichenachev kívánják adjunk nekik kettőt, ami lehetővé teszi a globális helymeghatározó műholdak távolságok mérésére milliméter pontossággal. Ma az SB RAS lézerfizikai Intézetének igazgatójaként részben elvesztette a lehetőséget, hogy saját kutatást végezzen, de erőt adott, ami közelebb hozhatja ezt az álmot.

- Kutatócsoportunk az SB RAS Lézerfizikai Intézetében van, és mint a Novoszibirszk Academgorodok legtöbb csoportja, szintén a Novoszibirszki Állami Egyetemen dolgozik. Mit csinálunk precíziós lézer spektroszkópiának. Ezekhez a munkákhoz jó kísérleti alapot és erőteljes elméleti támogatást nyújtunk. A kísérleti bázis természetesen egy intézmény, és az elméleti támogatás részben az egyetemről származik. Az elmúlt években ez a tevékenység igen jól alkalmazható - a frekvencia és az idő optikai színvonala. Olyan oszcillátort kapunk, amely az optikai tartományban szigorúan beállított frekvencián oszcillál, azaz ilyen frekvencia üzemmódban működik egy lézer.

De a lézer, mint bármely más makroszkopikus oszcillátor, külső hatásoktól függ: hőmérséklet, nyomás, rezonancia hossza és a frekvencia eltűnik. Ennek megakadályozása érdekében a lézer frekvenciáját minden atom átmenet frekvenciájához rögzítjük, ami sokkal kevésbé függ a külső hatásoktól. És itt, nem a lézerfizika, de atom-spektroszkópia jön létre. Meg kell választanunk a megfelelő szuper-éles átmenetet, amelyhez csatlakozhatunk.

Ez a munka sokáig folyik a világ minden részében, és most az időegység, amelyet használunk, az atomátalakulás gyakoriságával határozható meg - ez az úgynevezett hiperfinom átmenet a cézium atomon. A frekvencia körülbelül 9,2 GHz, vagyis a mikrohullámú tartományban van. És a specifitásunk optikai óra, amely az optikai tartományban működik, és amelynek gyakorisága körülbelül öt nagyságrenddel nagyobb. Az optikai tartományba való átkapcsolás előnye, hogy itt nagyobb pontosságot tudunk elérni. Például a mikrohullámú tartományban a relatív pontosság a tizenhatodik tizedes pont, és úgy tűnik, hogy ez a határ, amit elérhetünk. Más laboratóriumok kutatói lassan, lassan megközelítik ezt a határt. Az optikai tartományban ez a pontosság már elért, és az optikai órák nagyságrenddel vagy akár kettővel való növelésének lehetősége ma is valóságosnak tűnik.

- Miért van szükségünk erre a pontosságra?

- Először a szinkronizáláshoz. Nagy adatkészletek átviteléhez szinkronizálás szükséges, mivel elkerüli a nagy biztonsági mentéseket, ami nagymértékben megkönnyíti a nagy adatbázisok átvitelét. Ráadásul pontos órák feltétlenül szükségesek a pontos navigációhoz. Ez a történet évszázadokra nyúlik vissza: az első kronométerek, ahogy önök is tudják, kifejezetten a navigáció javítására szolgáltak. Most a modern műholdas navigációs szint, azaz a globális navigációs rendszerek még mindig az időmérésen alapulnak. Emiatt a globális navigációs rendszerek összes műholdja atomórákkal rendelkezik, és még inkább vannak órák a földi állomásokon, amelyekhez a műholdak óráját állítják be. Mindezen órák a mikrohullámú sávban működnek.

Egy vagy két megbízás pontosságának növelése érdekében át kell térni az optikai tartományra, ami a pozicionálási pontosság centiméteres és alcentiméteres szintjéhez vezet. Vannak mélyebb problémák. Modern optikai óráját úgy pontos, hogy már érzékeny a kis mozgások a térben, különösen a változás magasságú fogása különbségek akár egy centiméter, és ez alapja lehet alapvetően új technológiát Geodéziai (úgynevezett relativisztikus földmérő is) nagy pontosságú optikai óra. Ismerve a magassága olyan pontossággal, akkor már mérni a gravitációs potenciál segítségével akár együttese órák található a Föld felszínén, vagy a mobil eszközök.

Alapvető szempontból az optikai idő és frekvencia szabványok fő alkalmazása azon a tényen alapul, hogy a frekvencia és vele együtt az idő a legpontosabban fizikailag mért mennyiségek. Ilyen rendszereket hoznak létre és hoznak létre a jövőben, és ez lehetővé teszi számunkra, hogy az optikai szabványok fejlődése során minden alkalommal nagyobb pontossággal ellenőrizzük az alapvető fizikai elméleteket. Itt szem előtt tartjuk a relativitás speciális és általános elméletét, valamint az elemi részecskék fizikájában különböző modelleket.

Előfordulhat, hogy a fő fizikai állandók, például a finom szerkezeti állandó, kissé eltérhetnek. A két nagy pontosságú optikai óra lebonyolításának összehasonlítása laboratóriumi kísérletekben ilyen eltéréseket tárhat fel. Ma nem rögzítettek, de ez csak azt jelenti, hogy ha vannak, akkor az optikai óra meglévő hibája alatti határokon belül. A finom szerkezeti konstans változatának kísérletileg megállapított felső határa rendkívül fontos információ az elméleti részecskefizika modern modelleinek kifejlesztésére.

- Mit csinálsz ebben az irányban?

- C perspektivikus kísérletben minden modern optikai frekvencia szabványokat úgy jellemezhető, mint az ultra-pontos (azaz azoknál, amelyek a pontosság, mint a pontosságát mikrohullámú óra és nagyobb, mint 10 -16) használunk ultrahideg atomok kapott lézeres hűtés. Intézményünkben két ilyen létesítmény található. Az egyik az egyes itterbium ionok hűtésén alapul. Az ionot lézerrel hűtjük le, elektromágneses csapdával rögzítjük, és máris képesek rá, hogy egy frekvencia szabványt állítsunk fel, vagyis az atomórát a szükséges pontossággal állítsuk be. Ennek felé haladunk, és látszólag az első eredmények a lézersugár frekvenciájának az itterbiumion megfelelő frekvenciájához való kötődéséül idén megjelennek.

Egy másik irány a semleges magnézium atomok. Ezzel szemben a itterbium ion vannak sokan, mi is hűtik a lézer képes tartani a mágneses vagy optikai csapda, vagy az úgynevezett optikai rácsok. A magnéziummal a lézer frekvenciáját egy megfelelő átmenettel mértük, és kapott eredmények 10-16-os relatív hibát jeleztek. De továbbhaladunk, létre kell hoznunk egy olyan optikai rácsot, amelyhez bizonyos lézerek és a lézersugárzás egy további fokozatára van szükség, ami a magnézium számára nem teljes mértékben megvalósítható bárhol a világon.

A nehézség az, hogy nem lehet nagy mennyiségű atomot lehűlni a 10 μK-os tartományba eső hőmérsékletekhez. És számunkra ez azért fontos, mert a jövőbeli rácsunk 10 μK-os hõmérsékletû atomokat fog, és nem tud több "meleg" atomot 100 μK-os hõmérsékleten tartani. Már van elméleti fejlesztésünk arra vonatkozóan, hogyan érhetjük el ezeket a hőmérsékleteket további lézerhűtéssel, ezeket a kísérletben végrehajtjuk.

És az elmélet szempontjából nagyon fontos a hozzájárulás. Csoportunk számos új spektroszkópiai módszert fejlesztett ki, amelyek lehetővé teszik a lézeres kronométer pontosságának növelését. Sok akadály van itt. Először is nagyon gyenge átmenetet kell kezdeményeznünk. Néhányan annyira gyengék, hogy még a nagyon erős lézeres mezők sem izgatják őket. Feltaláltunk egy olyan eljárást, amelyben egy viszonylag kis mágneses mező hozzáadásával akár egy szinte megtiltott tiltott átmenetet is gerjeszthetünk, laboratóriumi eszközökkel.

Ráadásul a lézersugárzásnak elég erősnek kell lennie, és ez bizonyos típusú frekvenciaváltásokat okoz, és rontja az óra pontosságát. Az intézetben kifejlesztett módszer lehetővé teszi a különböző természetű változások kompenzálását, csökkentve vagy teljesen megszüntetve azokat.

- Mit szeretne elérni egy ideális esetben?

- És mi ennek a pontosságnak a szükségessége?

- Az alapvető fizika szempontjából ez feltétlenül szükséges: minél pontosabb az óra, annál jobb a tudomány számára. Ami a technikai alkalmazásokat illeti, még mindig nehéz elképzelni őket. Főleg azért, mert a rendszer többi komponense durvább. Például a helymeghatározó rendszerek távoli részeit ezzel a pontossággal egymással nem tudjuk szinkronizálni. A globális navigációs rendszerek ezt követelik meg, de az atmoszférán keresztül ilyen pontossággal továbbítják a jelet, az ionoszféra ma fantáziát jelent. A laboratóriumban feltételezzük, hogy elérjük ezt a célt, de még nem világos, hogy hogyan kell végrehajtani ugyanazt a határon túl. De ez egyelőre azért van, mert a technológiák fejlődnek, és nagyon valószínű, hogy az ilyen pontosságra szükség lesz idővel.

Ha a mai pontossági pontossággal képesek vagyunk elkapni a centiméteres magasságkülönbségeket, a 10-20-as szint lehetővé teszi a milliméteres tizedek meghatározását.

"Én teoretikus vagyok, és az elméleti módszereket, amelyekről beszéltem, csoportunk alakult ki, amely két helyen áll. Nincs laboratóriumom a lézerfizikai Intézetben. És van egy laboratórium az egyetemen, és elméleti.

- Nehéz-e Önnek a tisztán tudományos munka és az adminisztratív munka kombinálása?

- Nehéz egy új pozícióra, mert a tudomány számára nagyon kevés idő maradt. Megpróbálok annyi megbeszélést tartani és részt venni benne, segít megőrizni az intézetben zajló eseményeket. Természetesen tudom, mi történik a mi csoportunkban, de alig tudok leülni és formulákat készíteni, vagy dolgozni a számítógépemen. Ez azért szükséges, hogy ne veszítsük el az alakját, de idővel nagyon nehéz.

- Az intézet vezetője, ahol a fő tevékenység kapcsolódik a megfigyeléshez és a kísérlethez, van-e ellentmondás itt?

"Amíg nem próbálod ki magad, nem fogod megérteni." De az intézet igazgatójának elnökeként tényleg nem nagyon ülök. Szóval várjuk és látjuk.

Alexey Taychenachev

Fizikai és matematikai tudományok doktora, professzor, az SB RAS lézerfizikai Intézetének igazgatója.

1986-ban végzett a Tomsk Állami Egyetem Fizikai Tanszékén. A TSU Elméleti Fizikai Tanszékén, a Távol-Keleti Felsőmérnöki Mérnöki Iskolán (jelenleg a Tengerészeti Állami Egyetemen) és a Novoszibirszki Állami Egyetemen dolgozott.

A tudományos érdeklődési kör: ultra-nagy felbontású lézer spektroszkópia, atomok lézeres hűtése, ultrakódos atomok fizikája, kvantumoptika, nemlineáris optika, nemrelativisztikus kvantumelektrodinamika, kvantuminformáció.