لیزرهای انقلابی: گامی نو در فیزیک کوانتوم و نقشه‌برداری از گرانش زمین

توسعه‌ی لیزرهای فوق‌العاده دقیق برای سنجش‌های اتمی

برای آزمایش‌هایی که نیازمند اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق و کنترل‌های بی‌نهایت دقیق بر روی اتم‌ها هستند – مثل ساعت‌های اتمی دو-فوتونی، حسگرهای تداخل‌سنج اتمی سرد و دروازه‌های کوانتومی – لیزرها بهترین ابزار به حساب میان. و هر چه خلوص طیفی‌شون بالاتر باشه (یعنی فقط یه رنگ/فرکانس رو ساطع کنن)، بهتره. تکنولوژی لیزر تا امروز، این نور پایدار و با نویز خیلی کم رو از طریق سیستم‌های بزرگ و گرون‌قیمتی که برای تولید، مهار و ساطع کردن فوتون‌ها در یه بازه‌ی طیفی باریک طراحی شدن، به دست میاره. اما اگه بشه این کاربردهای اتمی رو از محدودیت‌های الانشون تو آزمایشگاه‌ها و روی میزها فراتر برد، چی؟ این پیشرفت داره تو آزمایشگاه دانیل بلومنتال، استاد مهندسی در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، پیگیری می‌شه، جایی که تیمش داره تلاش می‌کنه تا کارایی این لیزرها رو تو دستگاه‌های کم‌حجم بازسازی کنه، دستگاه‌هایی که تو کفِ دست جا می‌شن.

آندری ایسیچنکو، دانشجوی دکترا تو آزمایشگاه بلومنتال، گفت: «این لیزرهای کوچکتر، راه‌حل‌های مقیاس‌پذیر لیزری رو برای سیستم‌های کوانتومی واقعی و همچنین لیزرهایی برای حسگرهای کوانتومی قابل حمل و فضایی فراهم می‌کنن.» افزود: «این موضوع رو تکنولوژی‌هایی مثل محاسبات کوانتومی با اتم‌های خنثی و یون‌های محبوس و همچنین حسگرهای کوانتومی اتم سرد، مثل ساعت‌های اتمی و گراوی‌مترها تأثیر خواهد گذاشت.»

توسعه‌ی لیزرهای کوچیک و کارآمد

تو مقاله‌ای که تو نشریه‌ی Scientific Reports منتشر شده، بلومنتال، ایسیچنکو و تیمش یه پیشرفتی رو در این زمینه با یه لیزر ۷۸۰ نانومتری که با تحریک خودش قفل می‌شه و پهنای خطی فوق‌العاده کمی داره، در مقیاس تراشه ارائه می‌دن. این دستگاه که تقریباً اندازه‌ی یه جعبه‌ی کبریته، به گفته‌ی محققان، می‌تونه بهتر از لیزرهای ۷۸۰ نانومتری با خط باریک امروزی عمل کنه و هزینه‌ی ساخت و فضای کمتری هم نیاز داره.

لیزر و اتم‌های روبیدیم

اتمی که توسعه‌ی این لیزر بر پایه‌ی اون انجام می‌شه، روبیدیم هست. این اتم به خاطر ویژگی‌های شناخته‌شده‌اش برای کاربردهای دقیق گوناگون انتخاب شده. پایداری انتقال نوری D2 این اتم، اون رو برای ساعت‌های اتمی مناسب می‌کنه؛ همین‌طور حساسیتش باعث شده که برای حسگرها و فیزیک اتم سرد، انتخاب محبوبی باشه. با عبور دادن یه لیزر از بخار اتم‌های روبیدیم به عنوان یه مرجع اتمی، یه لیزر نزدیک به مادون قرمز می‌تونه ویژگی‌های انتقال اتمی پایداری رو به خودش بگیره.

بلومنتال، نویسنده‌ی ارشد مقاله، اشاره کرد: «شما می‌تونید از خطوط انتقال اتمی برای قفل کردن لیزر استفاده کنید. به عبارت دیگه، با قفل کردن لیزر به یه خط انتقال اتمی، لیزر به نوعی ویژگی‌های اون انتقال اتمی رو از نظر پایداری به خودش می‌گیره.»

اما یه نور قرمزرنگ و خوشگل به تنهایی نمی‌تونه لیزر دقیقی بسازه. برای رسیدن به نوری با کیفیت دل‌خواه، باید نویز حذف بشه. بلومنتال این موضوع رو به عنوان یه مقایسه بین چنگال کوک و سیم‌های گیتار توضیح می‌ده.

توسعه‌ی لیزرهای یکپارچه با عملکرد بالا

اون توضیح داد: «اگه یه چنگال کوک داشته باشی و نُت دو رو بزنی، احتمالاً یه نُت دو کاملاً دقیق خواهی داشت. اما اگه نُت دو رو روی گیتار بنوازی، می‌تونی صداهای دیگه‌ای رو هم بشنوی.» به همین ترتیب، لیزرها ممکنه فرکانس‌های مختلف (رنگ‌ها) رو در بر داشته باشن که تن‌هایی اضافه تولید می‌کنن. برای ایجاد فرکانس مورد نظر – در این مورد، نور قرمز خالص و عمیق – سیستم‌های رومیزی اجزای اضافی رو به کار می‌برن تا نور لیزر رو بهینه کنن.

چالشِ پژوهشگرا این بود که همه‌ی این کارایی و قابلیت‌ها رو روی یه تراشه‌ی یکپارچه پیاده‌سازی کنن. تیم تحقیقاتی از ترکیبی از یه دیود لیزر فابری-پروت تجاری، بعضی از کم‌ضررترین راهنماهای موجی تو دنیا (که تو آزمایشگاه بلومنتال ساخته شدن) و همین‌طور تشدیدگرهایی با بالاترین کیفیت، استفاده کرد که همشون روی یه پلتفرم نیترید سیلیکون ساخته شده بودن. به این ترتیب، اونا تونستن کارآیی سیستم‌های بزرگ و رومیزی رو تکرار کنن؛ و طبق آزمایش‌هاشون، دستگاهشون می‌تونه تو بعضی از معیارهای کلیدی مثل نویز فرکانسی و پهنای خط، از بعضی از لیزرهای رومیزی و همچنین لیزرهای یکپارچه‌ی قبلاً گزارش شده، بهتر عمل کنه.

ایسیچنکو توضیح داد: «اهمیت مقادیر پایین پهنای خط اینه که می‌تونیم یه لیزر جمع‌وجور بدون قربانی کردن کارایی لیزر به دست بیاریم. به یه معنی، عملکرد نسبت به لیزرهای معمولی به‌خاطر یکپارچگی کامل مقیاس تراشه بهتر شده. این پهنای خط‌ها به ما کمک می‌کنن بهتر با سیستم‌های اتمی تعامل داشته باشیم و مشارکتای ناشی از نویز لیزر رو حذف کنیم و به طور کامل سیگنال اتمی رو در پاسخ به، به عنوان مثال، محیطی که حس می‌کنن، حل کنیم.»

پهنای خط‌های کم – تو این پروژه یه رکورد کمِ زیر هرتز و یه عدد زیر کیلوهرتز – نشون‌دهنده‌ی ثبات تکنولوژی لیزر و تواناییش تو غلبه بر نویز از منابع داخلی و خارجی هست. مزایای دیگه این تکنولوژی شامل قیمتش می‌شه – این فناوری از یه دیود ۵۰ دلاری استفاده می‌کنه و یه فرآیند ساخت مقرون به صرفه و مقیاس‌پذیر داره که با استفاده از یه فرآیند مقیاس ویفر منطبق با CMOS ایجاد شده و الهام گرفته از دنیای ساخت تراشه‌های الکترونیکیه.

موفقیت این تکنولوژی این معنی رو می‌ده که امکان داره از این لیزرهای یکپارچه‌ی فوتونیکی با عملکرد بالا، دقت و هزینه‌ی پایین تو شرایط گوناگون، هم تو آزمایشگاه و هم بیرون، استفاده کرد؛ از جمله تو آزمایش‌های کوانتومی، نگهداری زمان اتمی و حس کردن ظریف‌ترین سیگنال‌ها، مثل تغییرات شتاب گرانشی در اطراف زمین.

بلومنتال گفت: «شما می‌تونید اینا رو روی ماهواره‌ها قرار بدید تا نقشه‌ی گرانشی زمین و اطرافش رو با دقت مشخصی تهیه کنید. شما می‌تونید افزایش سطح دریا، تغییرات تو یخ‌های دریا و زلزله‌ها رو با حس کردن میدان‌های گرانشی در اطراف زمین اندازه‌گیری کنید.» افزود: «جمع و جور بودن، مصرف انرژی کم و وزن سبک این تکنولوژی، یه تناسب بی‌نقص برای استفاده در فضا ایجاد می‌کنه.»