Материалы портала «Научная Россия»

Часовых дел физик

Часовых дел физик
Профессор Алексей Тайченачев, физик-теоретик и директор Института лазерной физики СО РАН, — об измерении времени с точностью до 20 знака после запятой, проверке фундаментальных теорий и своей тоске по научной работе

Профессор Алексей Владимирович Тайченачев, физик-теоретик, специалист в области лазерной спектроскопии, квантовой оптики и лазерного охлаждения, своим главным научным интересом считает создание самых точных в мире часов — лазерных. Их точность определяется 16 нулями после запятой, но Тайченачев намерен прибавить к ним еще два, что позволит спутникам глобального позиционирования измерять расстояния с миллиметровой погрешностью. Сегодня, став директором Института лазерной физики СО РАН, он отчасти утратил возможность заниматься собственными исследованиями, но зато обрел силы, способные приблизить эту мечту.

Материал опубликован в сдвоенномавгуст-сентябрьвыпуске журнала «В мире науки»

— Наша научная группа базируется в Институте лазерной физики СО РАН и, как большинство групп в Новосибирском Академгородке, работает также и в Новосибирском государственном университете. То, чем мы занимаемся, называется прецизионной лазерной спектроскопией. Для этих работ у нас есть и хорошая экспериментальная база, и мощная теоретическая поддержка. Экспериментальная база — это, естественно, институт, а теоретическая поддержка частично идет из университета. В последние годы очень ярко выступает прикладной аспект этой деятельности — оптические стандарты частоты и времени. Мы можем получить осциллятор, который колеблется со строго заданной частотой в оптическом диапазоне, то есть лазер, работающий в таком частотном режиме.

Но лазер, так же как и любой другой макроскопический осциллятор, подвержен внешним воздействиям: меняются температура, давление, длина резонатора — и частота уходит. Чтобы этого не происходило, мы частоту лазера привязываем к частоте какого-либо атомного перехода, которые гораздо менее подвержены внешним воздействиям. И здесь вступает в действие не лазерная физика, а уже атомная спектроскопия. Мы должны подобрать соответствующий сверхузкий переход, к которому можем привязаться.

Такая работа идет довольно давно во всем мире, и сейчас единица времени, которой мы пользуемся, определена через частоту атомного перехода — это так называемый сверхтонкий переход в атоме цезия. Частота его равна примерно 9,2 ГГц, то есть она лежит в микроволновом диапазоне. А наша специфика — оптические часы, работающие в оптическом диапазоне и имеющие частоту примерно на пять порядков больше. Преимущества перехода в оптический диапазон заключаются в том, что здесь мы потенциально можем получить более высокие точности. Например, в микроволновом диапазоне относительная точность — 16-й знак после запятой, и похоже, что это предел того, чего мы можем достигнуть. Исследователи в других лабораториях медленно-медленно подходят к этому пределу. В оптическом диапазоне эта точность достигнута уже сейчас, и возможность повысить точность оптических часов на порядок или даже на два представляется сегодня вполне реальной.

— Зачем нужна такая точность?

— Во-первых, для синхронизации. Когда передаются большие массивы данных, синхронизация необходима, поскольку она позволяет избегать большого резервного копирования, что значительно облегчает передачу больших баз данных. Кроме того, точные часы совершенно необходимы для точной навигации. Эта история уходит в глубину веков: первые хронометры, как известно, были разработаны именно для улучшения навигации. Сейчас современный спутниковый уровень навигации, то есть глобальные навигационные системы, все так же основан на измерении времени. По этой причине на всех спутниках глобальных навигационных систем располагаются атомные часы, а еще плюс к тому есть часы на наземных станциях, по которым корректируется время часов на спутниках. Все эти часы работают в микроволновом диапазоне.

Для повышения точности на один-два порядка необходим переход в оптический диапазон, что выведет нас на сантиметровый и субсантиметровый уровни точности позиционирования. Есть более глубинные проблемы. Современные оптические часы настолько точны, что чувствительны уже к небольшому перемещению в пространстве, в частности к изменению высоты, улавливая различия вплоть до сантиметра, и на этом может быть основана принципиально новая технология геодезии (так называемая релятивистская геодезия) на сверхточных оптических часах. Зная высоту с такой точностью, мы можем измерять уже гравитационный потенциал при помощи либо ансамбля таких часов, расположенных на поверхности Земли, либо мобильных устройств.

С фундаментальной точки зрения основное приложение оптических стандартов времени и частоты основано на том, что частота, а вместе с ней и время, — наиболее точно физически измеряемые величины. Такие системы создаются и будут создаваться в дальнейшем, а это позволяет производить проверку фундаментальных физических теорий каждый раз на более высоком уровне точности по мере развития оптических стандартов. Здесь имеются в виду специальная и общая теория относительности, а также различные модели в физике элементарных частиц.

Может также оказаться, что главные физические константы, например постоянная тонкой структуры, могут чуть-чуть варьировать. Сравнение хода двух сверхточных оптических часов может выявить такие вариации в лабораторном эксперименте. Сегодня они не фиксируются, но это значит всего лишь, что если они и есть, то в пределах, находящихся ниже существующей погрешности оптических часов. Экспериментально установленный уже сейчас верхний предел на вариацию постоянной тонкой структуры — чрезвычайно важная информация для теоретиков, разрабатывающих современные модели физики элементарных частиц.

— Что в этом направлении делаете вы?

— C точки зрения эксперимента все современные оптические стандарты частоты, которые можно охарактеризовать как сверхточные (то есть те, точность которых превышает точность микроволновых часов и выше, чем 10-16), используют ультрахолодные атомы, полученные лазерным охлаждением. В нашем институте две такие установки. Одна из них основана на охлаждении одиночных ионов иттербия. Мы охлаждаем ион лазером, он захватывается электромагнитной ловушкой и на нем уже можно строить стандарт частоты, то есть задавать атомным часам необходимую точность. Мы к этому движемся, и, видимо, первые результаты по привязке частоты лазера к соответствующей частоте в ионе иттербия появятся уже в этом году.

Другое направление — это нейтральные атомы магния. В отличие от иона иттербия их много, мы тоже охлаждаем их лазером, есть возможность удерживать их либо в магнитно-оптической ловушке, либо в так называемых оптических решетках. С магнием мы проводили измерения по привязке частоты лазера с соответствующим переходом и получили результаты, которые говорят об относительной погрешности 10-16. Но мы будем двигаться дальше, для этого требуется создать оптическую решетку, для которой нужны определенные лазеры и еще дополнительная стадия лазерного охлаждения, которая для магния в полном объеме нигде в мире не реализована.

Трудность в том, что охладить большое количество атомов до температур порядка 10 мкК пока не получается. А для нас это важно, потому что наша будущая решетка ловит атомы с температурой порядка 10 мкК, а более «теплые» атомы с температурами в 100 мкК она удерживать не в состоянии. У нас уже есть теоретические наработки в том, как достичь таких температур дополнительным лазерным охлаждением, будем их реализовывать в эксперименте.

А с точки зрения теории вклад очень значительный. Нашей группой разработан целый ряд новых спектроскопических методов, которые позволяют повысить точность лазерного хронометра. Здесь есть очень много препятствий. Во-первых, надо возбуждать очень слабые переходы. Некоторые из них настолько слабы, что даже очень сильные лазерные поля их не возбуждают. Нами придуман метод, при котором, добавляя относительно небольшое магнитное поле, можно возбуждать даже практически наглухо запрещенный переход, причем с помощью лабораторно доступного оборудования.

Вдобавок лазерное излучение должно быть достаточно сильным, а это вызывает определенного сорта сдвиги частоты и ухудшает точность часов. Разработанный в нашем институте метод позволяет компенсировать сдвиги различной природы, либо уменьшив их, либо полностью исключив.

— Чего вы хотите достичь в идеале?

— Пока мы действуем шаг за шагом, то есть стараемся выйти на тот уровень, который уже достигнут в мире. Это положение сложилось исторически. Когда-то мы были впереди всех, потом в связи с определенными событиями 1990-х гг. произошло замедление. Преодолеть его последствия — это первое, чего хочется. А в идеале… 10-20, это было бы здорово!

— А для чего нужна такая точность?

— С точки зрения фундаментальной физики это безусловно нужно: чем точнее часы, тем для науки лучше. А что касается технических приложений — их пока трудно себе представить. Главным образом потому, что остальные компоненты системы грубее. Например, мы не можем сегодня синхронизировать друг с другом с такой точностью удаленные части систем позиционирования. Это то, что требуется глобальным навигационным системам, но передавать сигнал с такой точностью через атмосферу, ионосферу представляется сегодня фантастикой. В лаборатории, предположим, мы этой цели добьемся, однако пока не совсем ясно, каким образом реализовать то же самое за ее пределами. Но это пока, ведь технологии развиваются, и вполне возможно, что со временем такая точность понадобится.

Если с сегодняшним уровнем точности часов мы способны улавливать сантиметровые различия по высоте, уровень 10-20 даст возможность фиксировать десятые доли миллиметра.

— Вы заняли должность директора института 21 апреля этого года, то есть совсем недавно. Продолжаете ли вы свои исследования? Есть ли у вас своя лаборатория?

— Я теоретик, и те теоретические методы, о которых я говорил, разработаны нашей группой, которая базируется в двух местах. В Институте лазерной физики собственной лаборатории у меня нет. А в университете лаборатория есть, и она именно теоретическая.

— Тяжело ли вам совмещать чисто научную работу и административную?

— На новой должности тяжело, потому что совсем мало времени остается на науку. Я стараюсь проводить как можно больше обсуждений и в них участвовать, это мне помогает быть в курсе того, что происходит в институте. Разумеется, я знаю, что делается в нашей группе, но самому сесть и порисовать формулы или поработать на компьютере почти не получается. Это необходимо, чтобы не потерять форму, но со временем очень тяжело.

— Теоретик во главе института, где основная деятельность связана с наблюдениями и экспериментом, — нет ли здесь противоречия?

— Пока сам не попробуешь, не поймешь. Но в кресле директора института я действительно сижу очень недолго. Так что поживем — увидим.

СПРАВКА

Алексей Владимирович Тайченачев

Доктор физико-математических наук, профессор, директор Института лазерной физики СО РАН.

Окончил физический факультет Томского государственного университета в 1986 г. Работал на кафедре теоретической физики ТГУ, в Дальневосточном высшем инженерно-морском училище (ныне Морской государственный университет), в Новосибирском государственном университете.

В 2001 г. защитил докторскую диссертацию.

В 2013 г. стал заместителем директора по науке Института лазерной физики СО РАН.

С апреля 2016 г. занимает пост директора ИЛФ СО РАН.

Сфера научных интересов: лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения, лазерное охлаждение атомов, физика ультрахолодных атомов, квантовая оптика, нелинейная оптика, нерелятивистская квантовая электродинамика, квантовая информация.

По данным Web of Science, А.В. Тайченачев — автор 137 научных статей, полное количество цитирований которых превышает 1,5 тыс., а индекс Хирша равен 22.

«в мире науки» алексей тайченачев институт лазерной физики со ран квантовая оптика лазерные часы лазеры прецизионная лазерная спектроскопия

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий