Ученые из НГУ улучшают параметры атомных часов

Ученые из Отдела лазерной физики и инновационных технологий НГУ (ОЛФиИТ) изучали динамические режимы формирования резонанса когерентного пленения населённостей в парах рубидия и впервые обнаружили эффект задержки просветления паров рубидия относительно управляющего сигнала. Детальное изучение нового эффекта позволило найти оптимальный режим формирования резонанса, при котором достигается наибольшая стабильность атомного стандарта частоты.

Резонанс когерентного пленения населенностей (КПН) — нелинейный эффект, возникающий в трёхуровневых атомных системах, имеющих Λ-конфигурацию (взаимодействие атома с двумя фотонами). Эффект используется в атомных стандартах частоты

Как рассказывает руководитель Отдела лазерной физики и инновационных технологий НГУ Сергей Кобцев, резонанс когерентного пленения населенностей возникает тогда, когда трёхуровневая атомная система находится в особом суперпозиционном состоянии, в котором меньше взаимодействует с оптическими полями. Просветление атомной среды в суперпозиционном состоянии приводит к возникновению спектроскопического резонанса, который используется как стабильный спектральный репер (пик пропускания):

— В обычных часах используется кварцевый генератор, в атомных часах — кварцевый генератор, стабилизированный по резонансу КПН. Благодаря этому долговременная стабильность атомных часов на несколько порядков превышает стабильность обычных часов. Погрешность в одну секунду атомные часы могут допустить только за несколько тысяч лет. Ученые соревнуются в том, чтобы, с одной стороны, атомные часы становились ещё более стабильными, с другой — все меньшими по размеру.

Атомные часы — генератор периодического сигнала, использующий энергетический переход в атоме в качестве опорной высокостабильной частоты.
Атомные часы, разрабатываемые ОЛФиИТ, представляют собой комплекс из лазера, ячейки с парами рубидия, фотоприемника и электронной системы обработки сигналов и управления параметрами экспериментальной установки. На экспериментальной установке, созданной в ОЛФиИТ, самостоятельно работают аспиранты НГУ и студенты ФФ НГУ

Сергей Кобцев подчеркивает, что при уменьшении размера атомных часов их стабильность ухудшается. Исследователи из ОЛФиИТ ориентируются на создание миниатюрных атомных часов (размером со спичечный коробок), поэтому работают над повышением контрастности резонанса, от которой напрямую зависит стабильность стандарта частоты.

Выявленный эффект задержки просветления паров рубидия относительно управляющего сигнала обуславливает изменение ширины и формы резонанса в зависимости от частоты сигнала.

Детальное изучение нового эффекта позволило исследователям НГУ найти оптимальный режим формирования резонанса, при котором достигается наибольшая стабильность атомного стандарта частоты

Часть экспериментальных работ, связанных с атомными часами, поясняет Сергей Кобцев, выполняется в лаборатории квантовых систем Междисциплинарного квантового центра ФФ НГУ. Эта лаборатория была создана в прошлом году и в настоящее время специализируется только на исследованиях и разработках, связанных с атомными часами:

— Работы этого направления пока поддерживаются в режиме небольшого посевного финансирования, мы надеемся привлечь больше средств на работы этой тематики за счет грантов и договоров. Атомные часы широко применяются в навигации для точного определения положения автомобилей, самолётов, ракет, в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в других приложениях. Мы чувствуем большой интерес к нашим работам этой тематики как в России, так и за рубежом. Два года подряд нам предоставляют возможность рассказать о результатах наших исследований в области атомных часов на крупнейшей мировой конференции по фотонике Photonics West, молодые ученые НГУ Сергей Хрипунов и Даба Раднатаров выступили с приглашённым и устным докладом соответственно в прошлом и в этом году.

На Международной научной студенческой конференции (МНСК), которая пройдёт в НГУ в апреле этого года, три студента ФФ НГУ — Иван Попков, Валерий Андрюшков, Татьяна Стещенко — представят результаты экспериментальных исследований прототипа атомных часов, созданного в ОЛФиИТ.

Ссылки:

S. Khripunov, D. Radnatarov, S. Kobtsev. Atomic clock based on a coherent population trapping resonance in 87Rb with improved high-frequency modulation parameters. Proc. SPIE, v. 9378, Slow Light, Fast Light, and Opto-Atomic Precision Metrology VIII, 93780A (2015)

D. Radnatarov, S. Khripunov, S. Kobtsev, A. Taichenachev, V. Yudin, M. Basalaev, I. Popkov, V. Andryushkov. Effect of electromagnetically-induced transparency delay generated by dynamic coherent population trapping in Rb vapour. Proc. SPIE, v. 9763, Slow Light, Fast Light, and Opto-Atomic Precision Metrology IX, 97630A (2016)

Анастасия Аникина