فناوری لیزرهای دقیق در خدمت انقلاب علمی کوانتوم

توسعه لیزرهای فوق‌العاده دقیق برای اندازه‌گیری‌های اتمی

برای آزمایش‌هایی که به اندازه‌گیری‌ها و کنترل‌های فوق‌العاده دقیقی بر روی اتم‌ها نیاز دارند — مانند ساعت‌های اتمی دو فوتونی، حسگرهای تداخل‌سنج اتمی سرد و دروازه‌های کوانتومی — لیزرها بهترین فناوری انتخابی هستند و هرچه خلوص طیفی آن‌ها بیشتر باشد (یعنی تنها یک رنگ/فرکانس را ساطع کنند)، بهتر است. فناوری لیزر در مقیاس آزمایشگاهی کنونی این نور پایدار و با نویز بسیار پایین را از طریق سیستم‌های بزرگ و پرهزینه‌ای که برای تولید، مهار و ساطع کردن فوتون‌ها در یک دامنه طیفی باریک طراحی شده‌اند، به دست می‌آورد. اما اگر این کاربردهای اتمی بتوانند از محدودیت‌های کنونی خود در آزمایشگاه‌ها و روی میزها فراتر بروند، چه؟ این پیشرفت در مرکز تلاش‌های آزمایشگاه دانیل بلومنتال، استاد مهندسی در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، قرار دارد، جایی که تیم او در تلاش است تا عملکرد این لیزرها را در دستگاه‌های سبک‌وزنی که می‌توانند در کف دست جا شوند، بازسازی کند.

اندری ایسیچنکو، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه بلومنتال، گفت: “این لیزرهای کوچکتر راه‌حل‌های مقیاس‌پذیر لیزری را برای سیستم‌های واقعی کوانتومی و همچنین لیزرهایی برای حسگرهای کوانتومی قابل حمل و مستقر در فضا فراهم می‌کنند.” او افزود: “این موضوع بر فناوری‌هایی مانند محاسبات کوانتومی با اتم‌های خنثی و یون‌های محبوس و همچنین حسگرهای کوانتومی اتم سرد مانند ساعت‌های اتمی و گراوی‌مترها تأثیر خواهد گذاشت.”

توسعه لیزرهای کوچک و کارآمد

در مقاله‌ای که در نشریه Scientific Reports منتشر شده است، بلومنتال، ایسیچنکو و تیمش یک پیشرفت در این راستا را با یک لیزر 780 نانومتری قفل‌شده با خودتحریک و با عرض خط فوق‌العاده کم در مقیاس تراشه ارائه می‌دهند. این دستگاه که تقریباً به اندازه یک جعبه کبریت است، به گفته محققان، می‌تواند بهتر از لیزرهای 780 نانومتری باریک‌خط کنونی عمل کند و هزینه تولید و فضای کمتری برای نگهداری نیاز دارد.

لیزر و اتم‌های روبیدیم

اتمی که توسعه لیزر بر اساس آن انجام می‌شود، روبیدیم است که به دلیل ویژگی‌های شناخته‌شده‌اش برای کاربردهای دقیق مختلف انتخاب شده است. پایداری انتقال نوری D2 این اتم، آن را برای ساعت‌های اتمی مناسب می‌سازد؛ همچنین حساسیت این اتم، آن را به انتخاب محبوبی برای حسگرها و فیزیک اتم سرد تبدیل کرده است. با عبور یک لیزر از بخار اتم‌های روبیدیم به عنوان مرجع اتمی، یک لیزر نزدیک به مادون قرمز می‌تواند ویژگی‌های انتقال اتمی پایدار را به خود بگیرد.

بلومنتال، نویسنده ارشد مقاله، اشاره کرد: “شما می‌توانید از خطوط انتقال اتمی برای قفل کردن لیزر استفاده کنید. به عبارت دیگر، با قفل کردن لیزر به خط انتقال اتمی، لیزر به نوعی ویژگی‌های آن انتقال اتمی را از نظر پایداری به خود می‌گیرد.”

اما یک نور قرمز زیبا به تنهایی نمی‌تواند لیزر دقیقی بسازد. برای دستیابی به نوری با کیفیت مطلوب، باید نویز حذف شود. بلومنتال این موضوع را به عنوان قیاس بین چنگال کوک و رشته‌های گیتار توضیح می‌دهد.

توسعه لیزرهای یکپارچه با عملکرد بالا

او توضیح داد: “اگر یک چنگال کوک داشته باشید و نت دو را بزنید، احتمالاً یک نت دو کاملاً دقیق خواهید داشت. اما اگر نت دو را روی گیتار بنوازید، می‌توانید صداهای دیگری را نیز بشنوید.” به همین ترتیب، لیزرها ممکن است فرکانس‌های مختلف (رنگ‌ها) را شامل شوند که تن‌های اضافی تولید می‌کنند. برای ایجاد فرکانس مورد نظر – در این مورد، نور خالص و عمیق قرمز – سیستم‌های رومیزی اجزای اضافی را برای بهینه‌سازی نور لیزر به کار می‌برند.

چالش محققان این بود که تمام این عملکرد و قابلیت‌ها را روی یک تراشه یکپارچه کنند. تیم تحقیقاتی از ترکیبی از دیود لیزر فابری-پروت تجاری، برخی از کم‌ضررترین راهنماهای موج در جهان (ساخته شده در آزمایشگاه بلومنتال) و همچنین رزوناتورهای با بالاترین کیفیت استفاده کرد که همه در یک پلتفرم نیترید سیلیکون ساخته شده بودند. به این ترتیب، آن‌ها توانستند عملکرد سیستم‌های بزرگ و رومیزی را تکرار کنند؛ و طبق آزمایش‌های آن‌ها، دستگاهشان می‌تواند در برخی از معیارهای کلیدی مانند نویز فرکانس و عرض خط، عملکرد بهتری نسبت به برخی لیزرهای رومیزی و همچنین لیزرهای یکپارچه قبلاً گزارش شده داشته باشد.

ایسیچنکو توضیح داد: “اهمیت مقادیر پایین عرض خط این است که می‌توانیم یک لیزر جمع و جور بدون قربانی کردن عملکرد لیزر به دست آوریم. به نوعی، عملکرد نسبت به لیزرهای معمولی به دلیل یکپارچگی کامل مقیاس تراشه بهبود یافته است. این عرض خط‌ها به ما کمک می‌کنند تا بهتر با سیستم‌های اتمی تعامل داشته باشیم و مشارکت‌های ناشی از نویز لیزر را حذف کرده و به طور کامل سیگنال اتمی را در پاسخ به، به عنوان مثال، محیطی که حس می‌کنند، حل کنیم.”

عرض خط‌های پایین – در این پروژه به عنوان یک رکورد پایین زیر هرتز و یک عدد زیر کیلوهرتز – نشان‌دهنده ثبات فناوری لیزر و توانایی آن در غلبه بر نویز از منابع داخلی و خارجی است. دیگر مزایای این فناوری شامل هزینه آن است – این فناوری از یک دیود ۵۰ دلاری استفاده می‌کند و از یک فرآیند ساخت مقرون به صرفه و مقیاس‌پذیر بهره می‌برد که با استفاده از یک فرآیند مقیاس ویفر سازگار با CMOS ایجاد شده و از دنیای ساخت تراشه‌های الکترونیکی الهام گرفته است.

موفقیت این فناوری به این معنی است که امکان استفاده از این لیزرهای یکپارچه فوتونیک با عملکرد بالا، دقت و هزینه پایین در شرایط مختلف درون و بیرون آزمایشگاه وجود خواهد داشت؛ از جمله در آزمایش‌های کوانتومی، نگهداری زمان اتمی و حس کردن ظریف‌ترین سیگنال‌ها، مانند تغییرات شتاب گرانشی در اطراف زمین.

بلومنتال گفت: “شما می‌توانید این‌ها را روی ماهواره‌ها قرار دهید تا نقشه گرانشی زمین و اطراف آن را با دقت معینی تهیه کنید. شما می‌توانید افزایش سطح دریا، تغییرات در یخ‌های دریا و زلزله‌ها را با حس کردن میدان‌های گرانشی در اطراف زمین اندازه‌گیری کنید.” او افزود: “جمع و جور بودن، مصرف انرژی پایین و وزن سبک این فناوری، یک تناسب کامل برای استفاده در فضا است.”