Profesorul Alexei Taychenachev, fizician teoretic și director al Institutului de Fizică Laser din SB RAS, despre măsurarea timpului cu mai mult de 20 de zecimale, testarea teoriilor fundamentale și a dorinței sale pentru o activitate științifică
Profesorul Alexey Taichenachev, un fizician, un expert în domeniul spectroscopiei cu laser, optica cuantică și răcire cu laser, principalul său interes științific consideră crearea de ceas mai precis din lume - cu laser. Precizia lor este determinată de 16 zerouri după virgulă, dar Taichenachev intenționează să adauge la ele două mai mult, ceea ce va permite sateliți de poziționare globală pentru măsurarea distanțelor cu precizie de milimetru. Astăzi, devenind director al Institutului de Fizică Laser al SB RAS, a pierdut parțial oportunitatea de a-și face propria cercetare, dar a câștigat puterea care ar putea aduce acest vis mai aproape.
- Grupul nostru de cercetare se bazeaza la Institutul de Fizica Laserilor SB RAS si, la fel ca cele mai multe grupuri din Akademgorodok, de asemenea, lucreaza la Universitatea de Stat din Novosibirsk. Ceea ce facem se numeste spectroscopie laser de precizie. Pentru aceste lucrări, avem o bună bază experimentală și un suport teoretic puternic. Baza experimentală este, desigur, o instituție, iar sprijinul teoretic provine parțial din universitate. În ultimii ani, aspectul aplicat al acestei activități este foarte luminos - standardele optice ale frecvenței și timpului. Putem obține un oscilator care oscilează la o frecvență strict stabilită în domeniul optic, adică un laser care funcționează într-un astfel de mod de frecvență.
Dar laserul, ca orice alt oscilator macroscopic, este supus unor influente externe: temperatura, presiunea, schimbarea lungimii rezonatorului si frecventa scade. Pentru a preveni acest lucru, se blochează frecvența laserului la frecvența oricărei tranziții atomice, care este mult mai puțin supusă influențelor externe. Și aici, nu fizica laserului, dar spectroscopia atomică intră deja în joc. Trebuie să alegem tranziția potrivită, la care ne putem atașa.
Lucrarea de față este o lungă perioadă de timp, în lume, iar acum o unitate de timp, pe care le folosim, este determinată de frecvența tranziției atomice - așa-numitul tranziția hiperfin în atomul de cesiu. Frecvența sa este de aproximativ 9,2 GHz, adică se află în gama de microunde. Și specificul nostru este un ceas optic care funcționează în domeniul optic și are o frecvență de aproximativ cinci ordine de mărime mai mult. Avantajele trecerii la domeniul optic sunt că aici putem obține o precizie mai mare. De exemplu, în gama de cuptoare cu microunde, precizia relativă este a 16-a zecimală și se pare că aceasta este limita a ceea ce putem realiza. Cercetătorii din alte laboratoare se apropie încet de această limită. În domeniul optic, această precizie se realizează chiar și acum, și posibilitatea de a imbunatati precizia ceasului optic în ordinea sau chiar două pare astăzi destul de reale.
- De ce avem nevoie de precizie?
- Mai întâi, pentru sincronizare. Atunci când sunt transferate seturi de date mari, este necesară sincronizarea, deoarece evită backup-urile mari, ceea ce facilitează foarte mult transferul de baze de date mari. În plus, ceasurile precise sunt absolut necesare pentru o navigare precisă. Această poveste revine secole: primele cronometre, după cum știți, au fost concepute special pentru a îmbunătăți navigația. Acum nivelul modern de navigație prin satelit, adică sistemele de navigație globală, se bazează încă pe măsurarea timpului. Din acest motiv, toți sateliții sistemelor globale de navigație au ceasuri atomice, și cu atât mai mult există și ceasuri pe stațiile de la sol, pentru care se ajustează ora ceasului pe sateliți. Toate aceste ceasuri funcționează în gama de microunde.
Pentru a îmbunătăți acuratețea uneia sau a două ordine pentru a fi o schimbare în domeniul optic, care ne va conduce la nivelele centimetru, iar subsantimetrovy de precizie de poziționare. Există probleme profunde. Ceas optic modern, atât de precise încât deja sensibile la mici mișcări în spațiu, în special, la o schimbare în înălțime, capturare diferențe de până la un centimetru, iar acest lucru se poate baza fundamental noua tehnologie de Geodezie (așa-numita topografie relativistă) ore optice de mare precizie. Cunoscând înălțimea cu o asemenea precizie, putem măsura deja potențialul gravitațional prin utilizarea fie un ansamblu de ceasuri situate pe suprafața Pământului, sau dispozitive mobile.
Dintr-un punct de vedere fundamental, aplicarea principală a timpului standarde optice și de frecvență bazate pe acea frecvență, și odată cu ea timp - mai exact cantități măsurabile fizic. Astfel de sisteme sunt create și vor fi create în viitor și acest lucru ne permite să verificăm teoriile fizice fundamentale de fiecare dată la un nivel mai ridicat de precizie pe măsură ce se dezvoltă standardele optice. Aici avem în vedere teoria specială și generală a relativității, precum și diferitele modele din fizica particulelor elementare.
Se poate întâmpla, de asemenea, ca principalele constante fizice, de exemplu, constantă a structurii fine, să poată varia ușor. O comparație a cursului a două ceasuri optice de înaltă precizie poate dezvălui astfel de variații într-un experiment de laborator. Astăzi nu sunt fixe, dar înseamnă doar că, dacă sunt, atunci în limitele inferioare erorii existente a ceasului optic. Limita superioară stabilită experimental pentru variația constantei structurii fine este o informație extrem de importantă pentru teoreticienii care dezvoltă modele moderne de fizică particulelor elementare.
- Ce faci în această direcție?
- C perspectivă experiment toate standardele moderne de frecvență optică, care pot fi caracterizate ca ultraprecisa (adică cele a căror exactitate decât precizia orelor cu microunde și mai mare de 10 -16), se utilizează atomii ultrarece obținuți prin răcire cu laser. În noastre institut două astfel de plante. Una dintre ele se bazează pe o singură răcire a ionilor de yterbiu. Noi rece ionul cu laser, este capturat de o capcană electromagnetică și este deja posibil să se construiască un standard de frecvență, care este de a cere o precizie ceas atomic este necesar. Ne deplasăm la acest lucru, și, aparent, primele rezultate privind legarea de frecvența cu laser la frecvența corespunzătoare a ionilor iterbiu va apărea mai târziu în acest an.
O altă direcție este atomii de magneziu neutri. Spre deosebire de ionul ytterbium, există multe dintre ele, le răzim cu laser, este posibil să le păstrăm fie într-o capcană optică magnetică, fie în așa-numitele grătare optice. În cazul magneziului, am măsurat frecvența laserului cu o tranziție corespunzătoare și am obținut rezultate care indică o eroare relativă de 10-16. Dar vom trece mai departe, trebuie să creăm o grătar optic pentru care sunt necesare anumite lase și o etapă suplimentară de răcire cu laser, care pentru magneziu nu este realizat pe deplin oriunde în lume.
Dificultatea este că nu este posibil să se răcească un număr mare de atomi la temperaturi de ordinul a 10 μK. Și pentru noi acest lucru este important, deoarece grila noastră viitoare captează atomi cu o temperatură de ordinul a 10 μK și nu poate menține atomi mai "calzi" cu temperaturi de 100 μK. Avem deja evoluții teoretice în ceea ce privește modul de atingere a acestor temperaturi prin răcirea suplimentară cu laser, le vom implementa în experiment.
Și din punctul de vedere al teoriei, contribuția este foarte semnificativă. Grupul nostru a dezvoltat o întreagă gamă de noi metode spectroscopice care fac posibilă îmbunătățirea acurateței cronometrului cu laser. Există multe obstacole aici. În primul rând, trebuie să inițiem tranziții foarte slabe. Unele dintre ele sunt atât de slabe încât câmpurile laser foarte puternice nu le excită. Am inventat o metodă în care, prin adăugarea unui câmp magnetic relativ mic, este posibilă excitarea unei tranziții aproape inacceptabil interzise, cu ajutorul echipamentelor accesibile în laborator.
În plus, radiația laser ar trebui să fie suficient de puternică, iar acest lucru cauzează un anumit tip de schimbări de frecvență și agravează precizia ceasului. Metoda dezvoltată în institutul nostru face posibilă compensarea deplasărilor de altă natură, fie prin reducerea, fie prin eliminarea completă a acestora.
- Ce vrei să faci într-un ideal?
- Și pentru ce este necesară această precizie?
- Din punctul de vedere al fizicii fundamentale, acest lucru este absolut necesar: cu cât este mai precis ceasul, cu atât mai bine pentru știință. Și în ceea ce privește aplicațiile tehnice, acestea sunt încă greu de imaginat. În principal deoarece componentele rămase ale sistemului sunt mai grosiere. De exemplu, astăzi nu putem sincroniza părțile de la distanță ale sistemelor de poziționare cu această precizie. Aceasta este ceea ce este cerut de sistemele globale de navigație, dar pentru a transmite semnalul cu o precizie atât de mare prin atmosferă, ionosfera este astăzi o fantezie. În laborator, să presupunem că atingem acest obiectiv, dar nu este încă clar cum să implementăm același lucru dincolo de limitele sale. Dar acest lucru este pentru moment, deoarece tehnologiile sunt în curs de dezvoltare, și este foarte posibil ca o astfel de precizie va fi necesară în timp.
Dacă cu nivelul actual de acuratețe al ceasului putem capta diferențe de centimetru înălțime, nivelul de 10-20 va face posibilă fixarea zecimilor unui milimetru.
"Sunt un teoretician și metodele teoretice despre care am vorbit au fost dezvoltate de grupul nostru, care se bazează pe două locuri. Nu am un laborator la Institutul de Fizică Laser. Și există un laborator în universitate, și este teoretic.
- Este dificil să combinați munca pur științifică și munca administrativă?
- Este greu pentru o nouă poziție, pentru că nu există prea mult timp pentru știință. Încerc să țin cât de multe discuții și să particip la ele, mă ajută să țin la curent cu ceea ce se întâmplă în institut. Desigur, știu ce se întâmplă în grupul nostru, dar cu greu pot să mă așez, să trag formule sau să lucrez pe calculatorul meu. Acest lucru este necesar pentru a nu pierde forma, dar în timp este foarte dificil.
- Teoreticianul din conducerea institutului, unde activitatea principală este legată de observare și experimentare, există vreo contradicție aici?
"Până când nu o încerci singur, nu vei înțelege." Dar în rolul directorului institutului, nu prea stau prea mult timp. Așa că vom aștepta și vom vedea.
Alexey Taychenachev
Doctor în științe fizico-matematice, profesor, director al Institutului de Fizică Laser al SB RAS.
A absolvit Facultatea de Fizică de la Universitatea de Stat din Tomsk, în 1986. El a lucrat la Departamentul de Fizică Teoretică al Universității de Stat din Tbilisi, în Superior Naval School Far Eastern Engineering (în prezent Universitatea de Stat Maritime), Universitatea de Stat din Novosibirsk.
Interesele sale științifice includ spectroscopie cu laser de înaltă rezoluție, răcire cu laser de atomi, fizica de atomi ultrarece, optica cuantica, optica neliniara, electrodinamicii cuantice non-relativiste, informații cuantice.