Марио Бертолотти - История лазера

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 (1905—1986), 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 атом—волна в атомных часах конечно, и это уширяет пик резонанса в результате принципа неопределенности Гейзенберга по отношению к время—энергия. 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 в столь точных часах возникает, например, в радиоастрономии, или для проверки теории относительности Эйнштейна. Пожалуй, наиболее значительным применением атомных часов является система глобального определения координат (GPS) с помощью спутников. Она нужна для навигации и различных систем мониторинга. Используется набор 24 спутников на геостационарных орбитах. Для точного определения их положения используются сигналы с точной привязкой во времени. Тогда положение человека, имеющего приемник, определяется по разности времени, которое требуется для прохождения сигналов от спутников до приемника. В настоящее время эта система обеспечивает точность определения координат до долей метра, что требует определения временных интервалов до долей наносекунд (1 нс = 10 —9с).

Вернемся к экспериментам по ядерному резонансу. Некоторые эксперименты, выполненные Блохом и его коллегами, имеют большое значение для нашей истории. В некоторых экспериментах они нашли, что время релаксации воды было между половиной секунды и одной минуты. Чтобы определить это значение более точно, был задуман замечательный эксперимент. Образец воды помещался в постоянное магнитное поле, достаточно высокой напряженности. При приложении осциллирующего поля с изменяемой частотой наблюдался типичный резонансный пик. Затем, за очень короткое время, направление постоянного поля, вдоль которого прецессируют магнитные моменты, изменяло знак (поле инвертировалось). Вначале наблюдался резонансный пик, затем в течение нескольких секунд этот пик исчезал и снова начинал расти, но с отрицательным значением. Это поведение можно объяснить следующим образом. Первоначально магнитные моменты выстраиваются вдоль направления поля, а слабое переменное поле, поглощаясь, индуцирует переходы в направление уровней с большей энергией (это приводит к пику поглощения). Когда постоянное поле изменяет свое направление, спины первоначально оказываются ориентируемыми почти антипараллельно, и теперь переменное поле индуцирует вынужденные переходы с верхнего уровня на нижний уровень. Это происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие в этом новом направлении поля.

В эксперименте Блоха время, необходимое для достижения этого нового равновесия, было около нескольких секунд, и это было как раз то значение релаксации воды, которое и интересовало исследователей. В течение нескольких секунд, необходимых для достижения нового равновесия, населенность спинов была в состоянии инверсной населенности, т.е. с большим числом частиц на более высоком магнитном уровне, чем число частиц на уровне с меньшей энергией.

Блох не обратил внимания на эту особенность, сосредоточившись на проблеме определения времени релаксации и измерения его точного значения. Инверсная населенность, получаемая таким способом, получившим название быстрого адиабатического прохождения, была позднее, в 1958 г., использована, чтобы создать инверсную населенность в двухуровневом твердотельном мазере.

В следующем году Н. Бломберген, молодой голландский физик, о котором мы более подробно поговорим позднее, вместе с Парселлом и Паундом продолжал изучать времена релаксации. Он ввел в теоретическое рассмотрение уравнения, которые описывают поведение числа атомов, находящихся на разных энергетических уровнях. Эти уравнения сыграли фундаментальную роль в описании действия мазеров и лазеров.

В 1951 г. Парселл и Паунд в короткой заметке в Physical Review ввели понятие отрицательной температуры и показали существование отрицательного поглощения. Они рассматривали эксперимент по ядерному поглощению и рассуждали следующим образом. При напряженностях поля, позволяющих системе быть описанной через ее полный магнитный момент (намагничивание), существенно быстрое обращение (перемена знака, инверсия) магнитного поля должно привести к намагничиванию, которое противоположно новому направлению поля. Это обращение должно осуществляться за такое короткое время, чтобы намагничивание не могло мгновенно следовать за полем. Они выполнили эксперимент с образцом флюорида лития, помещаемого в магнитное поле, направление которого, после достижения теплового равновесия, быстро обращалось. Это время инверсии делалось короче, чем спин-решеточная релаксация, и, таким образом, конфигурация ядерных спинов имела достаточно времени, чтобы измениться в течение инверсии поля. В пределах короткого интервала времени, в течение которого спины остаются инвертированными, получается отрицательное поглощение, т.е. испускание.