Les physiciens ont démontré une nouvelle conception de laser puissance en fonction des émissions synchronisées de la lumière provenant du même type d'atomes utilisés dans les horloges atomiques de pointe. Le laser pourrait être suffisant pour améliorer les performances de l'horloge atomique centuple et même servir d'horloge elle-même stable, tout en avançant d'autres quêtes scientifiques telles que faire des «dirigeants» précis pour mesurer les distances astronomiques.

Décrite dans le numéro d'Octobre 14 de la science avance, la sortie de la "superradiant" laser de lumière rouge devrait être environ 10.000 fois moins sensible que les lasers conventionnels à des vibrations mécaniques envahissants, ou le bruit. En conséquence, le nouveau laser peut se verrouiller sur une fréquence exacte, ou la couleur, plus étroitement, ce qui en fait 100 fois plus nette comme un outil de précision.

Le travail a été fait à JILA, un partenariat de l'Institut National des Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder. NIST a longtemps été un chef de file mondial dans le développement de lasers ultra-stables, et le nouveau travail fournit une qualitativement nouvelle approche pour faire avancer le domaine plus loin.

Le même groupe JILA a démontré le principe de base pour un stylo pointeur laser superradiant en 2012. Les scientifiques ont maintenant intégré le laser en utilisant le même type d'atomes utilisé dans leader mondial de strontium réseau de l'horloge de JILA. En fait, le nouveau laser peut être utilisé comme une horloge atomique par lui-même.

atomes de Strontium ont été choisis parce qu'ils ont une excellente «mémoire» de leur couleur ou leur fréquence exacte. Ils peuvent potentiellement stocker ces informations pendant 2,5 minutes, par rapport aux simples 100 millionièmes de seconde d'atomes typiques. Cela permet au laser superradiant pour stocker et protéger la plupart de l'information de couleur du laser à l'intérieur des atomes. En revanche, les lasers ordinaires stockent ces informations à la lumière qui rebondit entre deux miroirs, et les vibrations de miroir se bousculent il. La capacité de maintenir une fréquence précise est cruciale pour des applications telles que les horloges atomiques, qui reposent sur des lasers pour former des atomes "tick" d'un état d'énergie à un autre.

 

"Mais voici le hic: La très longue mémoire des atomes est génial, mais il rend également très difficile d'obtenir les atomes d'émettre toute lumière, qui fournit les informations pour nous d'utiliser», a déclaré JILA / NIST chercheur James Thompson . "Mais dans ce laser superradiant, pour la première fois, nous avons cajolé ces atomes pour émettre leur lumière 10.000 fois plus vite qu'ils auraient normalement tiens à émettre."

laser superradiant de JILA utilise 200.000 atomes de strontium empilées dans des couches de 5000 et piégés dans une enceinte creuse - une cavité - entre deux miroirs (ces miroirs font vibrer, mais les informations de fréquence sont stockées dans les atomes). Les atomes sont refroidis à des températures proches du zéro absolu et léviter dans le vide par un réseau optique, un «cristal de lumière» créé par l'intersection des faisceaux laser vert 200mw externes.

L'expérience commence par une brève lumière brillante sur les atomes pour les préparer dans leur longue durée de vie excité, ou à haute énergie, de l'état. Un signal environnemental - bruit quantique de l'espace vide - invite les atomes de strontium pour commencer spontanément à retardement que leurs électrons extérieurs commencent à rebondir et-vient d'un côté de l'atome à l'autre. L'oscillation est comme une antenne miniature qui dégage une très petite quantité de lumière dans la cavité. Cette lumière très faible, composé de seulement quelques particules de lumière ou photons, rebondissant avant et en arrière à l'intérieur de la cavité, permet aux atomes de communiquer et de synchroniser les uns avec les autres. Ce phénomène de synchronisation est également évidente dans les pendules placés à proximité les uns des autres, et même dans le clignotement des lucioles.

Comme les écarts de synchronisation et renforce, de plus en plus la lumière est émise, jusqu'à ce que finalement tous les theatoms sont passés d'une (haute énergie) excités à un calme (basse énergie) État. Lumière rebondit entre les miroirs près de 30.000 fois avant de fuite à travers les miroirs. Toute l'énergie stockée initialement à l'intérieur des atomes a été convertie en une impulsion de lumière laser durée de 50 centièmes de seconde.

Lorsque synchronisée, la collecte de petites antennes agissent comme un seul "super antenne" qui diffuse la puissance dans la cavité à un taux normal que beaucoup plus élevé - un processus appelé superradiance parce que l'émission collective est 1000 fois plus intense que les atomes rayonnants indépendamment. Les hausses de taux d'émission proportionnellement au nombre d'atomes au carré, ce qui rend le laser beaucoup plus lumineux que possible sans synchronisation.

Les études futures étudieront l'utilisation de la lumière laser pulsée superradiant comme une référence de fréquence absolue pour des applications telles que les horloges atomiques. En outre, les chercheurs espèrent créer un faisceau laser superradiant continue en retournant constamment des atomes à l'état excité.

"La lumière laser superradiant est encore des milliards de fois plus faibles que les lasers typiques, mais le point clé est que la couleur ou de la fréquence de la lumière devrait être très stable", a déclaré Thompson.

Un tel laser peut être aussi stable que les atomes utilisés dans les horloges les plus avancées. meilleures horloges atomiques d'aujourd'hui sont limitées en partie par le bruit du laser pointeur boutique. Parce qu'un laser superradiant utilise essentiellement une horloge atomique comme source d'énergie, la lumière laser à la fois lit le tic-tac des atomes et est insensible aux vibrations miroir de la cavité. De meilleurs lasers peuvent également avoir des applications dans les sciences spatiales, peut-être que les dirigeants de la lumière qui pourrait atteindre à travers des distances aussi vaste que de la Terre au Soleil, ce qui pourrait permettre la détection des ondes de gravité dans l'espace, par exemple.

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