Часы из ФИАНа
«Разработка малогабаритного оптического стандарта частоты на основе высококонтрастного внутридоплеровского резонанса в атомах рубидия» – так звучит тема гранта, с которым сотрудник лаборатории стандартов частоты ТОП ФИАН Мария Васьковская победила на молодёжном конкурсе РНФ – 2024. Имя Васьковской уже знакомо троичанам: она номинировалась на «Человека года – 2023» как молодой учёный, а недавно в составе коллектива фиановцев победила на троицком конкурсе работ молодых учёных с похожей темой – про микроволновые стандарты частоты.
«Оптические и микроволновые стандарты – это, что называется, две большие разницы, – говорит Васьковская. – Есть часы, которые на нашей планете «держат» время, построенные на микроволновых стандартах, но они огромные, в полкомнаты, очень сложные в использовании и обслуживании.
Есть оптические часы, которые лучше микроволновых, но тоже большие, очень дорогие и сложные. А наш проект – промежуточная стадия: что-то небольшое оптическое, но лучше, чем часы, которые мы могли бы носить на руках. Оптический стандарт по умолчанию более точен и стабилен потому, что частота оптического перехода как минимум на три порядка выше микроволнового».
Что такое стандарты частоты? В любых современных часах есть устройство, отмеряющее одинаковые интервалы времени. Сперва это был маятник, потом – балансирный механизм, в XX веке появились кварцевые генераторы. Их точности и долговременной стабильности – до нескольких секунд в год – хватает для быта, но есть задачи, где нужны триллионные доли секунды. Тут и появляются атомные часы, измеряющие время с помощью колебаний атомов и молекул. С 1967 года определение секунды звучит так: «9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Для чего нужна такая точность? Самый популярный пример – системы геопозиционирования типа GPS. Чем точнее мы знаем время, тем лучше определим своё положение в пространстве по сигналам со спутников.
Идеологом создания атомных часов в СССР был академик Басов, так что это направление – родное для ФИАНа. Стандарт, о котором докладывали на троицком конкурсе, основан на эффекте когерентного пленения населённости. Не будем пытаться расшифровать этот поэтичный термин, важно, что КПН-часы – устройства относительно небольшие и широко используемые.
А вот по компактным оптическим стандартам работ пока единицы. Этим занимаются учёные Франции, Китая, России (Институт лазерной физики СО РАН), есть лабораторные прототипы, но готового прибора пока нет.
«В 2016 году коллеги из Франции, которые занимались примерно тем же, чем мы, КПН-часами, вдруг заметили один эффект – увеличение контраста внутридоплеровского резонанса в цезии. А мы будем это делать в рубидии, – поясняет учёный. – Для нас это как если взять две части того, что мы очень хорошо знаем, и соединить, чтобы получить что-то новое. Почему бы не попробовать!»
Французам удалось достичь прекрасных результатов (улучшение на два порядка по сравнению с КПН-часами) в кратковременной стабильности, а дальше (сотни секунд) есть проблемы. «Система становится сложнее, больше компонентов, другой тип лазера, температурные эффекты, ещё много того, чего мы пока не знаем, – признаёт Мария. – Но для этого наш проект и нужен – разобраться и что-то узнать. Тема КПН-стандартов ведётся у нас в лаборатории настолько долго, что хочется от неё отойти, но желательно не очень далеко. Сделать шаг в сторону, с которого вся область смотрится под другим углом, можно открыть для себя новые горизонты, и будет ужасно интересно для нас и не только для нас». Новизна, например, в измерении стабильности – в оптическом диапазоне это сложнее, чем в микроволновом, но может пригодиться опыт коллег из ТОП ФИАН и «Авесты».
Грант дан на три года, по шесть миллионов в год, нужно написать восемь статей – вся работа впереди. «Руководителем я себя ещё не ощущаю, – улыбается Васьковская. – Это мой первый такой проект». В 2016-м Мария окончила кафедру лазерной физики МИФИ, а на пятом курсе её пригласил сюда ведущий научный сотрудник лаборатории Владимир Величанский. «До этого сменила нескольких научруков, никак не могла найти место, которое бы нравилось, а тут и курс интересный, и первый приезд в ФИАН –
это была сказка. Здесь реально занимаются наукой, ничего себе! Просто шок: научный руководитель говорит про твою работу, обсуждает, советует прочитать статьи, с любым вопросом можно подойти, тебе ответят и ещё порадуются, что спрашиваешь. В лаборатории я душой отдыхала. Меня наконец-то научили паять, о чём я мечтала с детства. Экспериментальная работа всегда была мне по душе. А здесь я нашла то, что искала всегда, – приключения, открытия, возможность приносить пользу людям. Искренне надеюсь, что то, что мы делаем, когда-нибудь кому-нибудь пригодится».
Владимир МИЛОВИДОВ,
фото Кирилла ШАШКОВА