СВЕРХТОЧНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ: ПРОРЫВ В БУДУЩЕЕ С.Н.Багаев Институт лазерной физики Новосибирск, Россия

За всю историю человечества, часы как инструмент управления временем всегда играли важную роль в изучении Природы. Сегодня новое поколение часов – оптические часы с высокой точностью – создаются в ведущих лабораториях мира. Это открывает уникальные возможности для появления сверхточных квантовых инструментов, которые будут играть выдающуюся роль в области науки и высоких технологий будущего. ВВЕДЕНИЕ Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Сверхточные оптические часы с относительной погрешностью на уровне станут реальными квантовыми инструментами для: – развитие наших знаний в области фундаментальных физических принципов природы (принципиальные эксперименты в физике); – сверхточных измерений в атомной, молекулярной и оптической физике; – реализации сверхточного контроля полетов космических аппаратов в дальнем космосе; – создания нового поколения систем спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС-М и др.), позволяющих реализовать субсантиметровую точность мониторинга объектов и управления ими на Земле и в космосе; – повышения точности астрономических наблюдений (в радиотелескопах, оптических каналах связи со спутниками и т.п.); – сверхточной синхронизации национальных шкал времени и передачи времени между разными странами (континентами). Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Важнейшие задачи, которые необходимо решить: – выполнить фундаментальные исследования, которые дадут возможность получить наивысшую точность и стабильность (до уровня ) оптических часов; – разработать и создать возимые (транспортируемые) оптические часы с погрешностью до ; – разработать научно-технологические основы космических оптических часов с погрешностью до 1 × и меньше; – продемонстрировать работу возимых часов в принципиальных физических экспериментах по проверке общей теории относительности и релятивистскую геодезию с высочайшей точностью. В этой связи необходимо: усилить координацию между основными научно-исследовательскими и метрологическими центрами России. Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Что такое оптические часы? Оптический стандарт частоты и времени (оптические часы) – это система, которая позволяет определять единицу времени (секунду) через период высокостабильных оптических колебаний. Оптические часы включают: - высокостабильный по частоте лазер (оптический стандарт частоты), - систему деления частоты из оптического в радиодиапазон. Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

1981 – 1996 – – по настоящее время Этапы развития оптических часов С.Н.Багаев и др., Appl. Phys. B., v.70, p.375, Первые в мире оптические часы (Институт лазерной физики, Новосибирск, точность измерений частоты и времени: – ) Транспортируемые оптические часы (Институт лазерной физики, Новосибирск, точность измерений частоты и времени: – ) Фемтосекундные оптические часы (точность измерений частоты и времени: и выше) Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Принципиальная схема фемтосекундных оптических часов Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск Блок сравнения Блок управления Радиочастотный синтезатор Выход Фемтосекундный синтезатор Оптический стандарт частоты Фемтосекундный лазер ФАПЧ

Точность абсолютных измерений частоты Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Схема универсальных фемтосекундных оптических часов ИЛФ СО РАН Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск Mg оптический стандарт частоты фемтосекундный синтезатор фемтосекундный Ti:Sa лазер уширитель спектра блок сравнения He-Ne/CH 4 оптический стандарт частоты блок управления Nd:YAG/I 2 оптический стандарт частоты оптические частоты радиочастоты 500 МГц – 10 ГГц / = / = ТГц / = Вносимая синтезатором нестабильность – 6· за 400 с

Фемтосекундные оптические часы S.N Bagayev et al., Appl. Phys. B, 2000, v.70, p , Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Новое поколение квантовых оптических часов Сегодня мы решаем задачу создания нового поколения оптических часов на ультра холодных атомах и ионах (T < ~ 1 К) не только наземного, но и космического базирования с высочайшей точностью на уровне – Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Схема современных оптических стандартов частоты на основе ультрахолодных атомов и ионов Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Новое поколение оптических часов 1)Оптические стандарты частоты на «ультрахолодных» атомах и ионах (Т 1 μК) с использованием методов лазерного охлаждения частиц и их локализации в оптических ловушках 3) Прямая связь между частотами оптического и микроволнового диапазона с помощью фемтосекундного синтезатора ( opt microw ) ~ 10 –18 – Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск 2) Твердотельные ядерные часы на основе Тория (Th-229). Возможно достижение стабильности частоты на уровне / Атомы: Ca, 24, 26 Mg, 171 Yb, 87 Sr, 88 Sr, Hg… 87 Sr / = (PTB, Германия, 2011) 171 Yb / = (NIST, США, 2013) Перспективы: 24 Mg, 87 Sr, 171 Yb / Одиночные ионы: Hg +, Al +, Yb +, Sr +, In + … 199 Hg + / = (NIST, США, 2008) 27 Al + / = (NIST, США, 2010) 88 Sr + / = (INMS, Канада, 2012) 171 Yb + / = (PTB, Германия с участием ИЛФ, Новосибирск, 2012) Перспективы: Yb+, In+, Hg+, Al+ /

Схема энергетических уровней Yb + Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Важнейшие результаты ИЛФ СО РАН В ИЛФ СО РАН впервые предложен революционный метод существенного (вплоть до трех порядков от своей величины) подавления сдвига частоты «часового» перехода в атоме или ионе, связанного с тепловым излучением окружающей среды (т.н. «blackbody radiation shift»). Метод основан на том, что в атомной системе с двумя часовыми переходами с частотами 1 и 2 существует некоторая «синтетическая» частота 3, которая весьма слабо зависит от окружающего теплового излучения. Например, для иона 171 Yb +, оказалось возможным подавить тепловой сдвиг до уровня В настоящее время в ИЛФ СО РАН ведутся работы по созданию 171 Yb + - оптического стандарта частоты со стабильностью – V.I. Yudin, A.V. Taichenachev, M.V. Okhapkin, S.N. Bagayev, Chr. Tamm, E. Peik, N. Huntemann, T.E. Mehlstäubler, F. Riehle, Atomic clocks with suppressed blackbody radiation shift, Phys. Rev. Lett., Vol. 107, (2011). Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск 171 Yb + ионная ловушка

Сверхточный стандарт частоты на одиночном ионе Yb + Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

WDM 1.48/1.56 Er-волокно PII Er-волокно WDM 1.48/1.56 PZT PC PSI PC Накачка 1.48 мкм Накачка 1.48 мкм PC Волоконный лазер Усилитель нм Yb + стандарт частоты / = ÷ Фотонно- кристаллическое волокно Схема мобильных волоконных фемтосекундных оптических часов космического базирования 2000 центральная длина волны 1,56 мкм; длительность импульса фз; средняя мощность без усилителя 20 м Вт; средняя мощность с усилителем 130 м Вт; суперконтинуум – нм. Y b:YAG/I 2 стандарт частоты / отн. ед. спектр излучения Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Оптическая часть волоконного фемтосекундного синтезатора 10 см Центральная длина волны: 1,56 мкм; длительность импульса: фз; частота следования импульсов: 100 МГц; суперконтинуум: – нм Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

Схема передачи времени на удаленный наземный пункт с помощью беззапросной квантово-оптической системы

Еще раз хочу подчеркнуть, что создание сверхточных оптических часов ( / ̶ ) наземного и космического базирования в ближайшие лет даст прорыв не только в фундаментальной физики и астрономии, но и откроет принципиально новые возможности для реализации глобальных космических программ, в том числе в дальнем космосе, включая следующие: ̶ реализация полетов космических кораблей с оптическими часами на борту; ̶ повышение точности слежения систем дальней космической связи; ̶ реализация специальных программ будущих спутниковых полетов для уникальных экспериментов по гравитационному красному сдвигу Земли и Солнца; ̶ оптические часы должны стать главными часами в космосе (напр., на гелио-стационарных орбитах) для определения (контроля) точного времени во всех местах на Земле и Солнце. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!