Выполнение измерений с помощью расчески с мелкими зубьями

Для многих людей измерения кажутся обыденными, как отметка делений на линейке или чтение линии на термометре. Это часть данных. И они склонны думать, что улучшенные измерения выглядят как более мелкие деления на линейке. Но новые измерения — это больше, чем просто более тонкие отметки на линейке. Чтобы что-то измерить, нужно понять это, разобрать и посмотреть, как это работает. Новые измерения могут открыть возможности, о которых даже ученые никогда не думали, когда начинали. Пожалуй, нет лучшего примера, чем гребенка оптических частот. Очень просто, это устройство представляет собой линейку для света. И все же это гораздо больше, чем линейка.

Радиоволны, микроволны, видимый свет, рентгеновские лучи и инфракрасное излучение — все это часть спектра электромагнитных частот. Все они представляют собой волны, движущиеся со скоростью света, но расстояние между пиками этих волн может составлять километры, как некоторые радиоволны, или нанометры, как видимый свет и ультрафиолет.

В 1970-х ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) застряли. Им нужны были более точные и точные атомные часы, основанные на очень высоких оптических частотах света, испускаемого атомами, когда их электроны перескакивают между энергетическими состояниями, в отличие от более низких микроволновых частот, которые они использовали. Лучшие часы дали бы им более точное определение секунды. Более точная секунда дала бы им лучшее определение метра, то есть расстояния, которое свет проходит в вакууме за крошечную долю секунды. Но все это зависело от возможности точно и точно измерить эти частоты света.

Между двумя концами электромагнитного спектра в измерениях был разрыв. Ученые могли точно измерять радио- и микроволновые частоты, но не было электроники, которая могла бы считать достаточно быстро, чтобы не отставать от оптических частот атома. Они могли бы использовать лазер с соответствующей частотой, чтобы считать оптическую частоту атома. У ученых были лазеры с известными точными частотами, но они могли воспроизводить только одну частоту или цвет. Не зная точной частоты атома, найти лазер с правильной частотой для чтения атома потребовало бы много проб и ошибок. Ученые NIST попытались последовательно соединить несколько лазеров с разными частотами, чтобы создать элементарную оптическую линейку. Это сработало достаточно хорошо, чтобы переопределить счетчик, но не было долгосрочным решением.

Введите частотную гребенку, устройство, получившее Нобелевскую премию, и результат десятилетий исследований Национального института стандартов и технологий и других организаций. Гребенка генерирует миллиард световых импульсов в секунду, которые отскакивают туда-сюда внутри оптического резонатора. Это создает миллионы всплесков оптических частот, которые выглядят как радужные зубцы на расческе (отсюда и название). Первый зубец этой расчески настроен на известную частоту, что дает ученым отправную точку для определения других частот. Как и в случае с линейкой, если вы знаете, что первый маркер составляет один миллиметр, а каждый маркер находится на расстоянии миллиметра друг от друга, вы можете легко начать измерение. Точно так же, поскольку они точно знают, как далеко друг от друга находятся эти частоты, ученые могут преобразовать эти оптические сигналы в микроволны с помощью простой математической формулы, соединяя два конца электромагнитного спектра. Это открывает множество возможностей для исследований.

Ученые использовали эту новую технологию, чтобы улучшить часы, в конечном итоге разработав часы, которые в 100 раз лучше, чем цезиевые часы, используемые для гражданских стандартов времени. Более точные и точные часы имеют решающее значение для GPS-навигации, которая использует точные сигналы времени для определения вашего местоположения. Более совершенные часы также имеют исследовательские преимущества:от обнаружения крошечных изменений в гравитации до изучения явлений квантового мира и, возможно, обнаружения темной материи. Эти часы могут в конечном итоге изменить то, как мы определяем секунду.

Все атомы и молекулы излучают уникальные частоты света, когда они перескакивают между энергетическими состояниями, а не только атомы, используемые в часах. Если одна из частот гребенки попадает на атом или молекулу с точно такой же частотой, ученые могут определить, с каким атомом или молекулой они столкнулись. Используя гребенку оптических частот, ученые смогли изучить состав звезд в мельчайших деталях. Астрофизики могут сказать, нашли ли они новую планету, измеряя изменения частот звездного света. Используя частотные гребенки, мы можем улучшить системы определения дальности света, которые отражают свет от объектов для их обнаружения, таких как радар или гидролокатор. Они могут видеть объекты сквозь пламя, помогая ученым NIST изучать, как структуры разрушаются во время пожара. Гребень также используется для обнаружения даже самых малых количеств парниковых газов в воздухе или поиска болезней в дыхании человека.