Использование когерентного излучения ультрафиолетового диапазона для охлаждения атомов и ионов могло бы обеспечить прорыв в области оптических стандартов частоты, выведя их на новый качественный уровень. Однако до недавнего времени создание таких оптических часов было весьма проблематично. Но, кажется, решение проблемы не за горами, благодаря созданию нового научного объединения – Международной лаборатории Global Alliance Laboratory.

     Появление лазеров помогло в создании оптических стандартов частоты (или – оптических часов), столь необходимых для решения задач метрологии, для прецизионных экспериментов, космических исследований и множества других областей. Современные оптические стандарты работают путем регистрации сверхузких переходов на холодных и ультрахолодных атомах и ионах. Относительная воспроизводимость и стабильность частоты современных оптических стандартов достигает 10^-15–10^-16. Основным элементом в таких системах служат охлаждающие лазеры, к которым предъявляются довольно серьезные требования по энергетике, ширине линии и перестройке длины волны.

    Дальнейший успех в этой области, позволяющий улучшить воспроизводимость и повысить стабильность до 10^–18 и выше, достижим при использовании лазерных источников, дающих когерентное излучение в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ). К тому же с их внедрением упрощается и сама схема оптических часов. Однако здесь возникает проблема с созданием «подходящего» источника.

    Рассказывает руководитель Отделения оптики ФИАН Анатолий Викторович Масалов:

    «Создание источника когерентного ВУФ-излучения, пригодного для охлаждения атомов и ионов в задачах спектроскопии высокого разрешения и метрологии оптических частот, является вызовом современным исследователям в области лазерной физики. Известные сегодня ВУФ-источники – громоздки и неудобны для решения подобных задач. Да и энергия генерируемое ими излучения недостаточна для манипулирования атомами и ионами, что также затрудняет их использование.

    Для создания нового поколения стандартов частоты необходимы лазерные источники с длинами волн в диапазоне 30-200 нм с возможностью плавной перестройки вблизи актуальных длин волн. Поиски возможных решений ведутся в разных направлениях, но наиболее надежный и универсальный способ генерации требуемого излучения до сих пор не найден».

    В Отделении оптики ФИАН на протяжении многих лет ведутся исследования, связанные с генерацией и спектроскопическими применениями излучения в ВУФ- и примыкающих к нему диапазонах. Однако именно эту конкретную задачу по созданию источника когерентного ВУФ-излучения требуемой мощности для охлаждения атомов и ионов в силу различных причин – от технических до экономических – решить не удалось.

Подписание Соглашения о научном сотрудничестве между МФТИ, UEC и ФИАН в рамках
Международной лаборатории Global Alliance Laboratory, 23 октября 2015 г., Москва.
Слева направо: проф. Н. Хамано (UEC), проректор МФТИ Т.А.-Х. Аушев, проф. Т. Моришита (UEC), директор ФИАН Н.Н. Колачевский, И.Ю. Толстихина (ФИАН-МФТИ-UEC), вице-президент UEC К. Абе, проф. А.Ю. Деревнина (МФТИ), ректор МФТИ Н.Н. Кудрявцев, проф. С.Ю. Савинов (ФИАН-МФТИ)

    Здесь надежды возлагаются на недавно созданную международную коллаборацию – Международную лабораторию Global Alliance Laboratory, которая объединяет ФИАН, МФТИ и UEC (University of Electro-Communications, Токио).

    «За последние годы в научных журналах появились публикации группы японских исследователей из UEC, где разрабатывается лазерный источник когерентного ВУФ-излучения на основе многократного комбинационного рассеяния света. Теоретические расчеты и первые эксперименты продемонстрировали обнадеживающие результаты. Работа в рамках Международной лаборатории позволит объединить опыт японских исследователей с достижениями ФИАН в области охлаждения атомов. Так что здесь наши интересы сошлись: у них есть задел по источнику ультрафиолетового излучения, у нас – куда его применить» – рассказывает Анатолий Викторович.

    Стоит отметить, что в Отделении оптики ФИАН накоплен внушительный экспериментальный опыт по охлаждению атомов и ионов: здесь созданы ловушки охлажденных атомов рубидия, тулия и ионов алюминия. В действующих установках удержание и охлаждение атомов и ионов осуществляется с помощью многочисленных непрерывных перестраиваемых полупроводниковых лазеров, работающих в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

    Опыт ФИАНа и высокий научный и экспериментально-технический потенциал UEC позволяют давать самые оптимистичные прогнозы в отношении «ультрафиолетовых» оптических часов. По оценкам А.В. Масалова, первых интересных результатов можно ожидать в ближайшие годы.

Участники международных научных конференций МФТИ-UEC-ФИАН.
Слева: 2013 г. – 1-ая научной конференции, ФИАН, г. Москва.
Справа: 2014 г. – 2-ая научная конференция, UEC, г. Токио

    «Конечно, это не единственная область нашего сотрудничества с японскими коллегами, есть ряд других направлений. Например, учебно-научные конференции МФТИ-UEC-ФИАН и совместные экспериментальные исследования на базе каждого из участников коллаборации.

    Но на мой взгляд, проблема источника когерентного ВУФ-излучения – одна из наиболее важных и интересных. Решение задач манипулирования атомами и ионами с его использованием обеспечит прогресс в фундаментальной спектроскопии (например, прецизионные измерения энергий переходов в атомах), в области удержания и охлаждения атомов и ионов в ловушках, в задаче создания оптических стандартов частоты и ряде других фундаментальных и прикладных областях физики. Особый интерес представляет создание ловушек и охлаждение атомов водорода и антиводорода. Есть и такие не менее важные практические применения, как повышение стабильности и надежности связи или же совершенствование работы системы ГЛОНАСС» – отметил в заключение Анатолий Викторович.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»