История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Уже РІ 1948 Рі., РєРѕРіРґР° Лионе уже построил СЃРІРѕР№ первый стандарт СЃ использованием аммиака, РѕРЅ начал программу создания настоящих атомных часов, основанных РЅР° атомных переходах, которые получили название атомных часов. Поскольку РѕРЅ РЅРµ был экспертом РІ спектроскопии, то РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» содействия Сѓ РСЃРёРґРѕСЂР° Раби Рё правая СЂСѓРєР° Раби, Поликарп РљСѓС€, разработал концептуальную конструкцию, РІ которой использовался пучок атомов цезия. Цезий уже был всесторонне изучен РіСЂСѓРїРїРѕР№ Раби, Рё РїРѕ СЂСЏРґСѓ причин ожидалась высокая стабильность.

Поликарп Куш (1911 1993) был очень способным экспериментатором. После получения докторской степени по молекулярной

оптической спектроскопии в 1936 г. поступил в Колумбийский университет, где вместе с Раби участвовал в пионерских исследованиях метода магнитного резонанса в молекулярных пучках. С помощью этой методики он провел ряд исследований, которые привели к открытию в 1947 г. аномального магнитного момента электрона. За это он был награжден в 1955 г. вместе с Виллисом Е. Лэмбом Нобелевской премией по физике. Во время Второй мировой войны разрабатывал высокочастотные генераторы для радаров. Его лекции, которые он читал звучным голосом (известным как шепот Куша), носили характер проповеди, черта, которую он, вероятно, унаследовал от отца лютеранского миссионера.

Летом 1951 Рі. аппаратура заработала, хотя Рё РЅРµ РІ окончательном РІРёРґРµ. РљСѓС€ фактически пытался использовать методику Рамси РґРІСѓС… полей для точной настройки микроволнового поля. Рто был первый эксперимент, РІ котором использовалась эта методика. Весной 1952 Рі. заработала РІСЃСЏ установка, Рё концу РіРѕРґР° была измерена частота перехода изотопа цезия СЃ массой 133 (было найдено, что именно РѕРЅ самый стабильный РїРѕ своей РїСЂРёСЂРѕРґРµ), для которой было установлено значение 9,192 631 800 ГГц.

Рти положительные результаты также стимулировали Британскую Национальную Физическую Лабораторию построить СЃРІРѕСЋ версию этого устройства, основанного РЅР° той же методике Рамси. Путем сравнения РёС… измерений СЃ точными астрономическими измерениями РІ Гринвиче, Луис Рссен Рё Дж. РџСЌСЂСЂРё установили более точно частоту излучения, как 9,192 631 770 ГГц. Рта частота была принята РІ 1964 Рі. Генеральной Ассамблеей Мер Рё Весов для официального определения секунды (С‚.Рµ. секунда определяется как 9 192 631 770 периодов колебаний перехода РІ атоме цезия). Рто определение делает атомное время согласованным СЃ секундой РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ эфемеридного времени.

Все эти устройства еще не были настоящими часами, в том смысле, что они не давали прямого соответствия с более низкими частотами, которые нужно использовать, чтобы подсчитать секунды. Окончательный шаг был сделан в Лаборатории радиации MIT Дж. Р. Захариасом (19051986), который в 1955 г. успешно построил коммерческую версию атомных часов с использованием цезия, которая получила название атомохрон.

В 1967 г. международный стандарт секунды был определен на основе перехода между уровнями сверхтонкой структуры атома цезия.

В 1990-х гг. были достигнуты несомненные успехи в стабильности и точности атомных часов, благодаря разработке методов захвата и охлаждения атомов с помощью лазеров. Сложные геометрии позволили построить то, что стали называть фонтанными часами. Продолжительность взаимодействия атомволна в атомных часах конечно, и это уширяет пик резонанса в результате принципа неопределенности Гейзенберга по отношению к времяэнергия. Другие эффекты также ограничивают точность этих часов. С помощью лазеров атомы можно теперь относительно легко охлаждать до 1 мкК. При таких температурах тепловая скорость атомов составляет только несколько миллиметров в секунду вместо 100

м/с, которую они имеют при комнатной температуре.

В т.н. фонтане атомы подбрасываются вертикально вверх под действием лазеров, а затем под действием тяжести падают вниз, подобно воде в фонтане. Система устроена так, что атомы взаимодействуют с электромагнитным полем и когда они летят вверх, и когда они опускаются вниз. Тем самым увеличивается время взаимодействия. При высоте в 1 м время взаимодействия струе атомов фонтана достигает 1 с.

В 1989 г. Стивен Чу и Курт Гибл в Стэнфордском университете (США) продемонстрировали первый фонтан с использованием охлажденных атомов натрия. Затем, в 1991 г. Клод Коен-Тануджи и Кристоф Саломон из Ecole Normale Superieure (Париж) вместе с Андре Клероном из Парижской Обсерватории использовали цезий. В результате в 1993 г. Клерон построил первый фонтан охлажденных атомов, с помощью которого в 1995 г. была достигнута точность менее 1 с за 30 миллионов лет (огромное достижение).

Необходимость РІ столь точных часах возникает, например, РІ радиоастрономии, или для проверки теории относительности Рйнштейна. Пожалуй, наиболее значительным применением атомных часов является система глобального определения координат (GPS) СЃ помощью спутников. РћРЅР° нужна для навигации Рё различных систем мониторинга. Рспользуется набор 24 спутников РЅР° геостационарных орбитах. Для точного определения РёС… положения используются сигналы СЃ точной РїСЂРёРІСЏР·РєРѕР№ РІРѕ времени. РўРѕРіРґР° положение человека, имеющего приемник, определяется РїРѕ разности времени, которое требуется для прохождения сигналов РѕС‚ спутников РґРѕ приемника. Р’ настоящее время эта система обеспечивает точность определения координат РґРѕ долей метра, что требует определения временных интервалов РґРѕ долей наносекунд (1 РЅСЃ = 10⁹ СЃ).

Ркспериментальное доказательство инверсии населенности

Вернемся Рє экспериментам РїРѕ ядерному резонансу. Некоторые эксперименты, выполненные Блохом Рё его коллегами, имеют большое значение для нашей истории. Р’ некоторых экспериментах РѕРЅРё нашли, что время релаксации РІРѕРґС‹ было между половиной секунды Рё РѕРґРЅРѕР№ минуты. Чтобы определить это значение более точно, был задуман замечательный эксперимент. Образец РІРѕРґС‹ помещался РІ постоянное магнитное поле, достаточно высокой напряженности. РџСЂРё приложении осциллирующего поля СЃ изменяемой частотой наблюдался типичный резонансный РїРёРє. Затем, Р·Р° очень короткое время, направление постоянного поля, вдоль которого прецессируют магнитные моменты, изменяло знак (поле инвертировалось). Вначале наблюдался резонансный РїРёРє, затем РІ течение нескольких секунд этот РїРёРє исчезал Рё СЃРЅРѕРІР° начинал расти, РЅРѕ СЃ отрицательным значением. Рто поведение можно объяснить следующим образом. Первоначально магнитные моменты выстраиваются вдоль направления поля, Р° слабое переменное поле, поглощаясь, индуцирует переходы РІ направление уровней СЃ большей энергией (это РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє РїРёРєСѓ поглощения). РљРѕРіРґР° постоянное поле изменяет СЃРІРѕРµ направление, СЃРїРёРЅС‹ первоначально оказываются ориентируемыми почти антипараллельно, Рё теперь переменное поле индуцирует вынужденные переходы СЃ верхнего СѓСЂРѕРІРЅСЏ РЅР° нижний уровень. Рто РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РґРѕ тех РїРѕСЂ, РїРѕРєР° РЅРµ будет достигнуто равновесие РІ этом РЅРѕРІРѕРј направлении поля.