高精度核時計への第一歩

研究者は極端紫外光(XUV)でレーザー光源をタップします

レーザー実験用の非線形媒質を備えた真空チャンバー©量子光学用MPI
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最近、特別なレーザーを使用する科学者は、初めて可視光の振動を直接数えることができました。 極紫外スペクトル範囲(XUV)のこのレーザーの新しいバージョンが、マックスプランクの研究者によって開発され、発表されました。 とりわけ、新しいレーザーは非常に正確な原子時計の新しい展望を切り開きました。

このようなモードロックレーザーの周波数スペクトルは、櫛の歯と比較できる細長い均一な一連の細い線で構成されています。 ガルヒングのマックスプランク量子光学研究所のクリストフゴーレとテオドールW.ヘンシュのグループの同僚は、極端な紫外線スペクトル範囲(XUV)でこのような「周波数コム」を提供する光源を発表しました。

このコームのライン間の距離は非常に大きいため、各ラインはこれまで未踏の周波数範囲での新しい精密測定に使用できます。 新しい光源はほぼ点状であり、ホログラフィー、顕微鏡検査、ナノリソグラフィーからX線原子時計に至るまで、紫外光の用途に新しい可能性をもたらします。 研究者は、Nature誌の最新号で報告しています。

時計としての粒子の振動

近年、ガルヒングのマックスプランク量子光学研究所の研究室で開発された光周波数コムは、光周波数測定に革命をもたらしました。 それらは、クロックとして光周波数の原子遷移を使用する信頼できる原子時計を初めて構築することを可能にします。 これにより、最高のセシウム原子時計と比較して、1000倍の正確な時間決定が可能になります。

クロックのクロックが速く振動するほど、時間の細分化が細かくなり、クロックがより正確に動作できるようになります。 古典的な振り子時計では1秒に1回、クォーツ式腕時計ではSI単位の秒単位である100万回、100億回、光学原子時計ではさらに10万倍速くなります。 電子殻の振動の代わりに原子核の振動を使用できれば、クロック周波数をさらに上げることが可能です。 しかし、十分な精度とカウントでそのような振動を検出できなかったため、これは今まで失敗しました。 ディスプレイ

周波数変換により高エネルギー放射が生成されます

電磁波の「非線形変換」では、元の光の周波数の整数倍の周波数で適切な媒体に光が生成されます。 これにより、原則として、可視光または近赤外光からのXUVまたは軟X線の生成が可能になります。 しかし、この変換を効率的に行うには、非常に高い光出力が必要です。これは、レーザーからの平均パワーをいくつかの非常に短い光のフラッシュ(通常は1秒あたり数千)に集中させることによって達成されます。

このようにして、数ワットの平均光出力を増加させることなく、光のフラッシュで電力を数千億ワットに増やすことができます。 しかし、フラッシュのような高電力でさえ、XUV光への変換は非効率的です。 総電力の最大10万分の1が変換され、放射電力の大部分が失われるためです。

「ミラートリック」により効率が向上

Max Planckの科学者によって開発されたレーザー光源により、XUV(および場合によっては原子核時計)での正確な周波数測定の目標がかなり近づいています。 彼らは、トリックで遭遇する困難を回避しました:彼らは、新たに到着する各パルスがすでにミラー配置で循環しているパルスに追加するように、2つ以上のミラー間で高い繰り返し率でレーザーからのパルスを保存します。循環パルスは何百倍も大きくなる可能性があります。

非線形周波数変換媒体(キセノン原子の鋼)がこの配置内に配置されている場合、1秒間に1億パルスを超える非常に高い繰り返し率でXUVへの変換を行うことができます。 さらに、媒体を通過した後に変換されなかった光は失われませんが、ミラー間にさらに蓄積されるため、媒体のさらなる通過に寄与する可能性があります。

このようなXUV光源は、基礎研究と高精度分光法だけに関心があるわけではありません。 ソースのシンプルさとコンパクトさ、および高い繰り返し率は、半導体製造や高密度ホログラフィックデータストレージへの応用も約束します。

(MPG、2005年7月18日-NPO)