شکل ۱. در یک ساعت ترکیبی، ساعت اپتیکی که از یک لیزر پایدار، که روی یک گذار اتمی تنظیم شده، ساخته شده است، فرکانس تعریف‌شده‌ی دقیقی تولید می‌شود که با یک شانه‌ی فرکانسی اندازه‌گیری می‌شود. هنگام کارِ ساعت اپتیکی، یک میزر (تقویت‌کننده میکروویو) با شانه فرکانسی سینک (هم‌گام) می‌شود. میزر هنگام کارنکردن ساعت به‌صورت نوسان‌کننده‌ی آزاد عمل می‌کند که کار تولید سیگنال زمان‌بندی را ادامه می‌دهد.

اندازه‌گیری دقیق زمان بسیار مهم است، از معاملات مالی و ناوبری GPS تا اخترشناسی برپایه‌ی تداخل‌سنجی. اکنون استاندارد رسمیِ زمان، ساعت هماهنگ جهانی (UTC) است که از ترکیب خروجی صدها ساعت اتمی سزیمی در سراسر جهان ایجاد می‌شود. این ساعت‌ها با تیک‌تاک در فرکانس‌های طول‌موج کوتاه (میکروویو) کمتر از یک نانوثانیه در ماه خطا دارند. دانشمندان چندین دهه می‌دانستند که ساعت‌های اپتیکی با سریع‌ترین تیک‌تاک‌ها، که به‌جای طول‌موج کوتاه از نور استفاده می‌کنند،‌ دراصل می‌توانند بسیار دقیق‌تر باشند. افسوس که این ساعت‌های اپتیکی نمی‌توانند مدت‌های طولانی به‌صورت مطمئن کار کنند و بنابراین باید با یک «نوسان‌ساز محلی» جفت شوند تا طی زمان استراحت آنها کار کند. این نوسان‌سازها ابزارهای طول‌موج کوتاهی، معمولاً میزرهای هیدروژنی، هستند که عملکرد ذاتی طول‌موج‌های کوتاه را محدود می‌کنند. اکنون ویلیام میلنر و همکارانش در JILA و اینستیتوی ملی استاندارد و فناوری در کلرادو همراه با محققان Physikalisch-Technische Bundesanstalt در برانشوایگِ آلمان، طرحی ارائه کرده‌اند که نوسان‌ساز میکروویو را با لیزر بسیار پایداری جایگزین می‌کند. این ابزار تمام‌اپتیکی یک سیگنال ساعت دائمی، یک «مقیاس زمانی»، تولید می‌کند که خطایی از مرتبه ۱۰۰ پیکوثانیه در هر ۳۴ روز کار دارد، ده برابر بهتر از استانداردهای سزیمی. این مجموعه با این سطح از قابلیت اطیمنان می‌تواند بستر مناسبی برای اندازه‌گیری زمان و زمان‌سنجی در همه جای دنیا و نیز بازتعریف ثانیه فراهم کند.

برتری ساعت‌های اپتیکی بر همتایان طول‌موج کوتاه ناشی از این حقیقت است که دراصل دقت هر ساعت با فرکانس تیک‌تاک‌های آن متناسب است. فرکانس در ساعت‌های سزیمی و میزرهای هیدروژنی، به‌ترتیب، ۹.۲ و ۱.۴ گیگاهرتز است که با گذار بین ترازهای فوق‌ظریف اتم‌های سزیم و هیدروژن تنظیم شده است. ازآنجاکه فرکانس نور مرئی ۱۰۰۰۰۰برابر بیشتر از طول‌موج‌های کوتاه است، ساعت‌های مبتنی بر گذارهای اپتیکی می‌توانند بسیار دقیق‌تر باشند. ساعت‌های اپتیکی از نور لیزر با فرکانس حدود ۵۰۰ تراهرتز استفاده می‌کنند که دقیقاً با تشدید اتمیِ گذارهای اتمی خاصی از اتم‌هایی مانند استرانسیوم، ایتربیوم و جیوه تنظیم شده است. نکته‌ی کلیدی مربوط به این ساعت‌ها معروف به «شانه‌ی فمتوثانیه» است، قطاری از پالس‌ها که می‌تواند نوسان‌های بسیار سریع تشدید لیزری با گذار اپتیکی را بشمارد. سپس این شانه سیگنالی با فرکانس رادیویی تولید می‌کند که برای اهداف زمان‌سنجی به‌کار می‌رود.

طی دهه‌های گذشته محققان پیشرفت‌های چشمگیری درزمینه‌ی ساعت‌های اپتیکی داشته‌ و به دقت یک در ^۱۸+۱۰ رسیده‌اند، این مقدار خطا کمتر از یک ثانیه در طول عمر عالم است. بااین‌حال تاکنون کاوش‌های گذار لیزری پایداری طولانی‌مدت کافی برای اهداف زمان‌سنجی را نداشته است؛ حلقه‌ی بازخوردی‌ای که به‌صورت پیوسته فرکانس لیزر را هدایت می‌کند تا با گذار اتمی اپتیکی هماهنگ شود. این هدایت قدرت لازم برای انجام عملکرد بدون نیاز به نظارت طی روزها یا ماه‌ها را ندارد. درنتیجه محققان سیستم‌های ترکیبی طول‌موج کوتاه- اپتیکی را توسعه داده‌اند که در آنها تیک‌تاک‌های قوی بیشتری از میزر هیدروژنی و نیز تیک‌تاک‌های قوی‌تری از ساعت اپتیکی تعبیه شده است (شکل ۱). درحالی‌که این راه‌حلِ ترکیبی در زمینه‌ی پلت‌فرم‌های طول‌موج کوتاه پیشرفتی به‌شمار می‌آید، عملکرد آن با مولفه‌ی طول‌موج کوتاه محدود می‌شود و نسبت به دقت و پایداری استثنائی و تضمینی ساعت‌های اپتیکی افت می‌کند. همچنین این محدودیت استفاده از ساعت‌های اپتیکی را برای کاربردهای عملی زمان‌سنجی محدود می‌کند.

شکل ۲. در طرح جدیدِ تمام‌اپتیکی، هسته‌ی ساعت اپتیکی یک لیزر فوق‌العاده پایدار است که فرکانس آن با گذار اپتیکی اتم‌های فراسرد تنظیم می‌شود و با جفت‌شدگی با یک کاواک (حفره) خارجی تثبیت می‌شود. این سیستم می‌تواند بیشتر از یک ماه بدون تکیه بر نوسان‌ساز طول‌موج کوتاه مرجع کار کند.

طرح تمام‌اپتیکی‌ای که میلنر و همکارانش نشان‌داده‌اند (شکل ۲)، روش امیدوارکننده‌ای برای کار زمان‌سنجی کاملاً ‌پیوسته‌ی بالقوه‌ی ساعت‌های اپتیکی ارائه می‌کند. کلید راه‌حل آنها یک نوسان‌گر –لیزر- محلیِ تمام‌اپتیکی است که پایداری طولانی‌مدت آن از میزر هیدروژنی بهتر عمل می‌کند. لیزر، یک دیود ۶۹۸ نانومتری است که پایداری آن با جفت‌شدگی با یک کاواک Fabry-Perot به‌طول ۲۱ سانتی‌متر از جنس سیلیکون خالص که در دمای تبرید ( K۱۲۰) نگه داشته شده، ‌تثبیت شده است. کار پیشین نشان داد که ساعت‌های برپایه‌ی چنین لیزرهای حفره-تثبیت‌شده عمدتاً تحت‌تأثیر نوسانات دمایی و آشفتگی‌های خارجی مانند ارتعاشات مکانیکی قرار نمی‌گیرند. درنتیجه، جفت‌شدگی با حفره، فرکانس لیزر-دیود را تا سطح یک در ۱۰^۱۷ در یک دوره کوتاه (تا ۱۰۰ ثانیه) ثابت نگه می‌دارد –حدود ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ برابر بهتر از میزر هیدروژنی. هرچند تا سال‌ها گسترش این عملکرد در فواصل زمانی طولانی‌تر دست‌نیافتنی بود. فرکانس لیزر به‌خاطر تغییر در طول حفره بعد از صدها ثانیه تغییر می‌کند. درحالی‌که مولفه‌ی این تغییر به‌دنبال یک روند خطی پیش‌بینی‌پذیر است که قابل‌تصحیح است، دیگر بخش‌های این تغییر مشخص نبوده و کاملاً غیرقابل پیش‌بینی‌اند.

محققان با تکیه بر کارهای قبلی، ترفندهای مختلفی مانند استفاده از نورشناخت super polished، کنترل فعال قدرت خروجی لیزر، و استراتژی‌هایی برای کنترل حرارتی محیط، برای پایداری بیشتر فرکانس لیزر، اعمال می‌کنند. نتیجه یک لیزر فوق‌العاده پایدار با قابلیت پیش‌بینی فرکانس بی‌سابقه است: تغییرات فرکانس با یک انحراف خطی از تصحیح نمایی به‌طور دقیق مسخص می‌شود. با تصحیح فرکانس داده‌های لیزر با پیش‌بینی‌های مشخص، گروه توانست خطای باقی‌مانده در طرح را ارزیابی کند و آن را با ساعت اپتیکی استرانسیوم-۸۷ و ساعت اتمی طول‌موج کوتاه مقایسه کرد. حاصل کار قابل‌توجه است: مقدار خطای زمانی تخمین‌زده‌شده کمتر از ۱۰۰ پیکوثانیه در طی یک ماه کار است، بهبود در مرتبه‌ی بزرگی، بیش از خطای زمان‌سنجی چند نانوثانیه در یک ماه که بهترین ساعت‌ها در موسسات سنجش و اندازه‌گیری دراختیار دارند. منطقی است انتظار داشته باشیم که بهینه‌سازی‌های آسان این طرح به‌زودی به پیشرفت‌های ده‌برابری بیانجامد. این برون‌یابی نشان‌دهنده این است که گسترش سطح سنجش زمان تا مرتبه ۱۰^۱۸ در ساعت‌های اپتیکی از کوتاه‌مدت به بلندمدت اکنون یک چشم‌انداز واقع‌بینانه است.

این نتیجه درراستای بازتعریف ثانیه در سیستم بین‌المللی یکاها است، که در رویای مقیاس‌های زمانی ایجادشده با ابزارهای تمام‌اپتیکی است. دقت زمان‌سنجیِ برنامه‌ریزی‌شده در ساعت‌های تمام‌اپتیکی باعث بهبود دقت سیستم‌های ناوبری جهانی، از حدود یک متر تا کمتر از میلی‌متر می‌شود. اما بر طرح‌های علمی که متکی به زمان‌سنجی هستند نیز تاثیر عمیقی دارد. مثلا «تداخل‌سنجی خط پایه‌ی بسیار بزرگ (Very Large Baseline Interferometry)» (VBLI) نیازمند اندازه‌گیری‌های دقیق اختلاف زمانی بین سیگنال‌های اخترفیزیکی دریافتی در تلسکوپ‌های رادیویی مختلف است. اکنون VBLI از میزر هیدروژنی استفاده می‌کند، اما زمان‌سنجی بهتر می‌تواند دقت رصدهای VBLI را به میزان قابل‌توجهی بهبود بخشد. این پیشرفت بخصوص در فرکانس‌های (از مرتبه‌ی) صدها گیگاهرتز –محدوده‌ی طیفی‌ای که اخیرا تلسکوپ افق رویداد از آن برای تهیه اولین تصویر سیاه‌چاله استفاده کرده است- جالب‌ِتوجه است. همچنین می‌توان از این فناوری جدید برای استفاده در ژئودزی نسبیتی استفاده کرد که از تغییرات نسبیتی در فرکانس ساعت‌ها برای اندازه‌گیری ارتفاع، کنترل جزرومد و مشخص‌کردن تغییرات زمانی میدان گرانشی زمین استفاده می‌کند. درنهایت می‌تواند برخی تحقیقات ماده تاریک را انجام دهد که در آنها اختلاف زمانی اندک بین ساعت‌ها در مکان‌های مختلف می‌تواند عبور ماده‌ی تاریک گریزان را نشان دهد.

نویسنده:

دیوید کالونیکو (Davide Calonico)، موسسه ملی تحقیقات اندازه‌گیری (INRIM)، تورین، ایتالیا

منبع:

https://physics.aps.org/articles/v12/114

مراجع:

1.

Time Department of the International Bureau of Weights and Measures (BIPM) https://www.bipm.org/en/bipm/tai/.

2.

Millner et al., PRL.

3.

McGrew et al., “Atomic clock performance enabling geodesy below the centimetre level,” Nature 564, 87 (2018).

4.

T. Kessler et al., “A sub-40-mHz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity,” Nat. Photon. 6, 687 (2012).

5.

F. Riehle, P. Gill, F. Arias, and L. Robertsson, “The CIPM list of recommended frequency standard values: guidelines and procedures,” Metrologia 55, 188 (2018).

6.

C. Clivati et al., “A VLBI experiment using a remote atomic clock via a coherent fibre link,” Sci. Rep. 7, 40992 (2017).

7.

S. Doeleman (EHT Director) on behalf of the EHT Collaboration, Focus on the first Event Horizon Telescope results.

8.

J. Grotti et al., “Geodesy and metrology with a transportable optical clock,” Nat. Phys. 14, 437 (2018).

9.

B. M. Roberts et al., “Search for domain wall dark matter with atomic clocks on board global positioning system satellites,” Nat. Commun. 8, 1195 (2017).