Раскрытие точности: измерение с частотным гребенкой — линейка для света

Измерение — это понимание: от атомных часов к GPS и поиску тёмной материи

Для многих людей измерение звучит скучно, как отметки на линейке или чтение линии на термометре. Это кусок данных. И они склонны думать, что улучшенные измерения выглядят как всё более тонкие отметки на линейке. Но создание новых измерений — это больше, чем просто более тонкие отметки на линейке. Измерить что-то — значит понять его, разобрать и увидеть, как это работает. Новые измерения могут открыть возможности, которые даже ученые не думали о них, когда начинали. Возможно, нет лучшего примера, чем оптическая частотная гребенка. Очень просто, это устройство — линейка для света. Но это гораздо больше, чем линейка.

Электромагнитный спектр: от радиоволн к рентгеновским

Радиоволны, микроволны, видимый свет, рентгеновские лучи и инфракрасное — все часть спектра электромагнитных частот. Они все волны, движущиеся со скоростью света, но расстояние между пиками этих волн может быть километрами, как у некоторых радиоволн, или нанометрами, как у видимого света и ультрафиолета.

1970-е: NIST застрял между микроволнами и оптикой

В 1970-х ученые в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) застряли. Они хотели более точные и точные атомные часы, основанные на очень высоких оптических частотах света, излучаемого атомами, когда их электроны прыгают между энергетическими состояниями, в отличие от нижних микроволновых частот, которые они использовали. Лучшие часы давали бы им более точное определение секунды. Более точная секунда давала бы им лучшее определение метра — расстояния, которое свет проходит в вакууме в крошечной доле секунды. Но всё это опиралось на способность точно и точно измерять эти частоты света.

Был пробел в измерении между двумя концами электромагнитного спектра. Ученые могли измерять радио и микроволновые частоты точно, но не было электроники, которая могла считать достаточно быстро, чтобы поспевать за атомными оптическими частотами. Они могли использовать лазер с соответствующей частотой для чтения атомной оптической частоты. У ученых были лазеры с известными точными частотами, но они могли производить только одну частоту или цвет. Без знания точной частоты атома, поиск правильного частотного лазера для чтения атома занял бы много проб и ошибок. Ученые NIST пробовали цепочечно соединять несколько лазеров разных частот вместе для создания примитивной оптической линейки. Это работало достаточно хорошо для переопределения метра, но не было долгосрочным решением.

Частотная гребенка: Нобелевская награда, миллиард импульсов в секунду

Входит частотная гребенка — нобелевское призеруемое устройство и результат десятилетий исследований от NIST и других. Гребенка генерирует миллиард импульсов света в секунду, которые отскакивают туда-обратно внутри оптической полости. Это создаёт миллионы пиков оптических частот, которые выглядят как радужные зубчики на гребенке (отсюда название). Первый зубчик в той гребенке установлен на известную частоту, давая ученым отправную точку для чтения других частот. В точности как линейка, если вы знаете, что первая отметка — один миллиметр и каждая отметка на миллиметр разделена, вы можете легко начать измерять. Аналогично, потому что они знают точно, насколько далеко эти частоты, ученые могут переводить эти оптические сигналы в микроволны с простой математической формулой, соединяя два конца электромагнитного спектра. Это открывает множество исследовательских дверей.

От лучших часов к GPS, гравитации, квантовому миру, тёмной материи

Ученые использовали эту новую технологию для создания лучших часов, в конечном счёте разработав часы, которые в 100 раз лучше цезиевых часов, используемых для гражданских временных стандартов. Более точные и точные часы критичны для GPS навигации, которая полагается на точные временные сигналы для определения вашего местоположения. Лучшие часы также имеют исследовательские преимущества, от обнаружения крошечных изменений гравитации до изучения феноменов квантового мира и, возможно, поиска тёмной материи. Эти часы могут в конечном счёте изменить то, как мы определяем секунду.

Спектроскопия, астрофизика, дальномерия, огонь, парниковые газы, дыхание

Все атомы и молекулы излучают уникальные частоты света, когда они прыгают между энергетическими состояниями, не только атомы, используемые в часах. Если одна из частот от гребенки попадает в атом или молекулу с точно такой же частотой, ученые могут идентифицировать, какой вид атома или молекулы они попали. Используя оптическую частотную гребенку, ученые могли изучать состав звёзд в изысканной детали. Астрофизики могут сказать, нашли ли они новую планету, измеряя изменения в частотах звездного света. Используя частотные гребенки, мы можем улучшить системы световой дальномерии, которые отражают свет от объектов для их обнаружения как радар или сонар. Они могут видеть объекты сквозь пламя, помогая ученым NIST изучать, как структуры терпят неудачу во время пожара. Гребенка также используется для обнаружения даже малейших количеств парниковых газов в воздухе или поиска болезней в человеческом дыхании.