Ninguém nunca tinha chegado tão perto do laser ideal antes:teoricamente, a luz laser tem apenas uma única cor (também frequência ou comprimento de onda). Na realidade, Contudo, sempre há uma certa largura de linha. Com uma largura de linha de apenas 10 mHz, o laser que os pesquisadores do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) já desenvolveram em conjunto com pesquisadores norte-americanos do JILA, estabeleceu um novo recorde mundial. Esta precisão é útil para várias aplicações, como relógios atômicos ópticos, espectroscopia de precisão, radioastronomia e para testar a teoria da relatividade. Os resultados foram publicados na edição atual da Cartas de revisão física .

Os lasers já foram considerados uma solução sem problemas - mas agora isso é história. Mais de 50 anos se passaram desde a primeira realização técnica do laser, e não podemos imaginar como poderíamos viver sem eles hoje. A luz laser é usada em inúmeras aplicações na indústria, medicina e tecnologias de informação. Os lasers trouxeram uma verdadeira revolução em muitos campos de pesquisa e na metrologia - ou mesmo tornaram possíveis alguns novos campos em primeiro lugar.

Uma das propriedades marcantes de um laser é a excelente coerência da luz emitida. Para pesquisadores, esta é uma medida para a frequência regular da onda de luz e largura de linha. Idealmente, a luz laser tem apenas um comprimento de onda (ou frequência) fixo. Na prática, o espectro da maioria dos tipos de lasers pode, Contudo, alcance de alguns kHz a alguns MHz de largura, o que não é bom o suficiente para vários experimentos que exigem alta precisão.

A pesquisa, portanto, tem se concentrado no desenvolvimento de lasers cada vez melhores, com maior estabilidade de frequência e largura de linha mais estreita. No âmbito de um projeto conjunto de quase 10 anos com os colegas americanos da JILA em Boulder, Colorado, um laser foi desenvolvido no PTB cuja largura de linha é de apenas 10 mHz (0,01 Hz), estabelece um novo recorde mundial. "Quanto menor for a largura de linha do laser, mais precisa será a medição da frequência do átomo em um relógio óptico. Este novo laser vai permitir-nos melhorar de forma decisiva a qualidade dos nossos relógios ", O físico do PTB, Thomas Legero, explica.

Além da largura de linha extremamente pequena do novo laser, Legero e seus colegas descobriram por meio de medições que a frequência da luz laser emitida era mais precisa do que já havia sido alcançada antes. Embora a onda de luz oscile aprox. 200 trilhões de vezes por segundo, ele só fica fora de sincronia após 11 segundos. Até então, o trem de ondas perfeito emitido já atingiu um comprimento de aprox. 3,3 milhões de quilômetros. Esse comprimento corresponde a quase dez vezes a distância entre a Terra e a lua.

Uma vez que não havia outro laser comparativamente preciso no mundo, os cientistas que trabalharam nessa colaboração tiveram que configurar dois desses sistemas de laser imediatamente. Somente comparando esses dois lasers foi possível comprovar as excelentes propriedades da luz emitida.

A peça central de cada um dos lasers é um ressonador de silício Fabry-Pérot de 21 cm de comprimento. O ressonador consiste em dois espelhos altamente refletivos, situados frente a frente e mantidos a uma distância fixa por meio de um cone duplo. Semelhante a um tubo de órgão, o comprimento do ressonador determina a frequência da onda que começa a oscilar, ou seja, a onda de luz dentro do ressonador. A eletrônica de estabilização especial garante que a frequência da luz do laser siga constantemente a frequência natural do ressonador. A estabilidade de frequência do laser - e, portanto, sua largura de linha - depende apenas da estabilidade do comprimento do ressonador Fabry-Pérot.

Os cientistas do PTB tiveram que isolar o ressonador quase perfeitamente de todas as influências ambientais que pudessem alterar seu comprimento. Entre essas influências estão as variações de temperatura e pressão, mas também perturbações mecânicas externas devido a ondas sísmicas ou som. Eles alcançaram tal perfeição ao fazê-lo, que a única influência que restou foi o movimento térmico dos átomos no ressonador. Este "ruído térmico" corresponde ao movimento browniano em todos os materiais a uma temperatura finita, e representa um limite fundamental para a estabilidade de comprimento de um sólido. Sua extensão depende dos materiais usados ​​para construir o ressonador, bem como da temperatura do ressonador.

Por esta razão, os cientistas desta colaboração fabricaram o ressonador de silício monocristalino que foi resfriado a uma temperatura de -150 ° C. O ruído térmico do corpo de silício é tão baixo que as flutuações de comprimento observadas se originam apenas do ruído térmico das camadas do espelho dielétrico SiO2 / Ta2O5. Embora as camadas do espelho tenham apenas alguns micrômetros de espessura, eles dominam a estabilidade do comprimento do ressonador. No total, o comprimento do ressonador, Contudo, flutua apenas na faixa de 10 atômetros. Esse comprimento corresponde a não mais que um décimo milionésimo do diâmetro de um átomo de hidrogênio. As variações de frequência resultantes do laser, portanto, totalizam menos de 4 × 10-17 da frequência do laser.

Os novos lasers agora estão sendo usados ​​no PTB e no JILA em Boulder para melhorar ainda mais a qualidade dos relógios atômicos ópticos e para realizar novas medições de precisão em átomos ultracold. No PTB, a luz ultraestável desses lasers já está sendo distribuída por guias de ondas ópticas e é usada pelos relógios ópticos em Braunschweig.

"No futuro, Prevê-se a divulgação desta luz também dentro de uma rede europeia. Este plano permitiria comparações ainda mais precisas entre os relógios ópticos de Braunschweig e os relógios dos nossos colegas europeus em Paris e Londres ", Legero diz. Em Boulder, um plano semelhante está em vigor para distribuir o laser por uma rede de fibra que se conecta entre a JILA e vários laboratórios do NIST.

Os cientistas desta colaboração veem outras possibilidades de otimização. Com novas camadas de espelho cristalino e temperaturas mais baixas, o ruído térmico perturbador pode ser reduzido ainda mais. A largura de linha pode então se tornar menor que 1 mHz.