КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-72-10096

НазваниеИсследование сдвигов и контраста реперных резонансов в газовых ячейках для улучшения метрологических характеристик малогабаритных атомных часов

РуководительБасалаев Максим Юрьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-304 - Спектроскопия

Ключевые словаатомные часы, квантовые стандарты частоты и времени, нелинейная лазерная спектроскопия, квантовая метрология, рамсеевская спектроскопия, резонансы когерентного пленения населенностей, субдоплеровская спектроскопия

Код ГРНТИ29.33.49

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Атомные часы используются для прецизионного измерения временных интервалов и частот, имеют обширную область применения: спутниковая навигация (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou), автономная навигация, геодезия, телекоммуникационные системы, системы защищенной связи, метрология, службы точного времени, проверка фундаментальных теорий и др. При этом в случае, когда определяющими являются такие характеристики как малые габариты и вес устройства, низкое энергопотребление, простота и надежность конструкции, ключевую роль играют пассивные атомные часы с газовой ячейкой. С физической точки зрения метрологические характеристики атомных часов определяются качеством реперного резонанса (т.е. отношение сигнал/шум), используемого для стабилизации частоты, а также сдвигами частоты часового перехода и их флуктуациями. Данный проект направлен на исследование физических эффектов, связанных с возбуждением и опросом часового перехода, которые наиболее существенно влияют на параметры реперного резонанса в газе атомов (контраст, ширина, сдвиг, асимметрия формы линии). Это позволит разработать оптимальные спектроскопические схемы для улучшения метрологических характеристик малогабаритных атомных часов, а именно: достичь уровня долговременной стабильности 10^(-13)-10^(-14) для СВЧ диапазона и 10^(-14)-10^(-15) для оптического диапазона. Это, в свою очередь, будет способствовать повышению точности определения координат местоположения объекта, направления и скорости его движения, а также увеличению производительности информационно-телекоммуникационный сетей. Научная основа для разработки малогабаритных атомных часов с улучшенными метрологическими характеристиками требует решения комплекса физических задач, направленных на повышение качества спектроскопического сигнала и устранение источников систематических частотных сдвигов реперного резонанса. Проект включает в себя исследования резонансов когерентного пленения населенностей для атомных часов радиочастотного диапазона, резонансов насыщенного поглощения и двухфотонного поглощения во встречных монохроматических волнах для атомных часов оптического диапазона. При выполнении проекта будут впервые экспериментально реализованы новые обобщенные рамсеевские схемы с подавленным световым сдвигом для спектроскопии резонансов КПН в газовых ячейках. Теория данных методов разработана нами в работе [M.Yu. Basalaev, V.I. Yudin, D.V. Kovalenko et al., Generalized Ramsey methods in the spectroscopy of coherent-population-trapping resonances, Phys. Rev. A, Vol. 102, 013511 (2020)]. Однако, несмотря на перспективность предложенных подходов для достижения высоких метрологических характеристик, их экспериментальная реализация в газовых ячейках к настоящему моменту отсутствует. Другим направлением нашего проекта является спектроскопия резонансов двухфотонного поглощения во встречных монохроматических волнах для стабилизации частоты в малогабаритных атомных часах оптического диапазона. Будет исследоваться влияние статического магнитного поля и эллиптической поляризации лазерного излучения на контраст и сдвиги двухфотонного резонанса на переходе S->D в атомах щелочных металлов, а также будут рассмотрены методы подавления частотных сдвигов. Детальная теория таких резонансов с учетом магнитной (зеемановской) структуры сверхтонких атомных уровней и произвольной эллиптической поляризации света недостаточно представлена в научной литературе и требует своего развития. Проект также включает в себя разработку нового подхода для учета влияния движения атомов на спектроскопический сигнал в случае субдоплеровских резонансов насыщенного поглощения, возбуждаемых во встречных волнах. Для этого будет развита теория, описывающая нелинейное по световому полю самосогласованное решение уравнений Максвелла-Блоха в атомарном газе. Отметим, что в стандартном подходе, основанном на решении задачи без учета зависимости волнового вектора от движения атомов, плотность атомов влияет только на амплитуду сигнала. Однако, как показывает проведенный нами анализ даже для одной монохроматической плоской волны, более правильный учет движения атомов в самосогласованном решении уравнений Максвелла-Блоха приводит к новым спектроскопическим эффектам, которые нелинейно зависят от плотности атомов, но, тем не менее, не связанны с межатомным диполь-дипольным взаимодействием [V.I. Yudin, A.V. Taichenachev, M.Yu. Basalaev et al., Atomic-Motion-Induced Quasi-Collective Effects in Laser Spectroscopy of Atomic Gases, arXiv:2108.07803 (2021)]. Помимо фундаментального интереса, данные эффекты имеют большое прикладное значение для прецизионной лазерной спектроскопии и оптических атомных часов. Действительно, сдвиг реперного резонанса, зависящий от атомной плотности, будет влиять на точность и долговременную стабильность часов из-за температурных флуктуаций, поскольку плотность атомов зависит от температуры атомной ячейки.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие ключевые результаты: – Будет создан экспериментальный стенд стандарта частоты, основанного на обобщенной рамсеевской спектроскопии резонансов КПН в газовых ячейках с Rb-87. – Будет экспериментально исследована эффективность конфигурации из встречных полихроматических волн с ортогональными циркулярными поляризациями для увеличения контраста резонанса КПН на D1 линии атомов Rb-87. – Будет экспериментально исследован метод обобщенной автобалансной рамсеевской спектроскопии резонансов КПН в Rb-87, определена эффективность подавления светового сдвига и улучшения долговременной стабильности атомных часов. – Будет экспериментально исследован метод комбинированного сигнала ошибки в рамсеевской спектроскопии резонансов КПН в Rb-87, определена эффективность подавления светового сдвига и улучшения долговременной стабильности атомных часов. Будет проанализировано влияние различных параметров установки на величину калибровочного коэффициента, от которого зависит комбинированный сигнал ошибки. – В рамках самосогласованного решения системы уравнений Максвелла-Блоха будет развита общая теория для описания резонансов насыщенного поглощения во встречных волнах с учетом нелинейных по плотности атомов спектроскопических эффектов, индуцированных свободным движением атомов и ранее не описанных в научной литературе. – Будет подготовлен пакет программ для расчета резонансов насыщенного поглощения с учетом нелинейных по плотности атомов спектроскопических эффектов, индуцированных движением атомов. – Будут установлены зависимости формы линии и сдвига резонансов насыщенного поглощения от плотности атомов и параметров модели (температуры газа, констант релаксации, интенсивности излучения и т.д.) с учетом влияния движения атомов на обобщенный комплексный волновой вектор. – Будет развита теория и получены аналитические выражения для резонансов двухфотонного поглощения на оптическом переходе S->D в атомах щелочных металлов с учетом зеемановской структуры энергетических уровней и эллиптической поляризации света. – Будет установлена зависимость контраста резонанса двухфотонного поглощения от статического магнитного поля и поляризации света. – Будет определено влияние статического магнитного поля и степени эллиптичности световых волн на сдвиг и асимметрию резонанса двухфотонного поглощения. – Будут предложены методы подавления частотных сдвигов резонанса двухфотонного поглощения. – Будет разработана феноменологическая теория оператора сдвига для резонансов КПН, позволяющая перейти от сложного описания взаимодействия атомов с когерентным многочастотным лазерным полем к упрощенной модели бихроматического поля, в которой бы учитывались СВЧ биения нерезонансных световых компонент. Ожидаемые результаты будут соответствовать передовому мировому уровню и будут опубликованы в авторитетных научных журналах, индексируемых в библиографических базах Web of Science и Scopus, а также представлены на международных конференциях. Проблемам, на решение которых направлен проект, уделяется большое внимание в ведущих метрологических центрах как в России, так и за рубежом. Огромная важность атомных часов для экономики и социальной сферы обусловлена обширной областью их применения: спутниковая навигация (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou), управление беспилотными транспортными средствами, измерения расстояния между удаленным объектами, телекоммуникационные системы и мобильная связь нового поколения, линии защищенной связи, службы точного времени и др. Практическое значение ожидаемых результатов состоит в том, что они позволят улучшить метрологические характеристики малогабаритных атомных часов, а именно: достичь уровня долговременной стабильности 10^(-13)-10^(-14) для СВЧ диапазона и 10^(-14)-10^(-15) для оптического диапазона. Это, в свою очередь, будет способствовать повышению точности определения координат местоположения объекта, направления и скорости его движения, а также увеличению производительности информационно-телекоммуникационный сетей.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Мы разработали алгоритм построения последовательной нелинейной по полю теории формы линии спектроскопического сигнала в газе атомов, основанный на самосогласованном решении уравнений Максвелла-Блоха в приближении среднего поля и одно-атомной матрицы плотности. Решение строится по теории возмущений, где в качестве малого параметра, по которому ведется разложение матрицы плотности, служит параметр насыщения оптического перехода. Данный подход позволяет учесть влияние свободного движения атомов на эффекты, зависящие от плотности атомов, и подробно изложен в работе [В.И. Юдин, А.В. Тайченачев, М.Ю. Басалаев и др., Письма в ЖЭТФ, том 117, вып. 6, с. 406 (2023)], где представлена нелинейная теория доплеровской формы линии спектроскопического сигнала для бегущей монохроматической волны в газе двух-уровневых атомов. Было получено аналитическое выражение для сигнала пропускания при произвольной оптической толщине газовой среды. Показано, что учет влияния движения атомов на волновое число поля в среде приводит к существенной деформации доплеровского резонансного контура (сдвиг, асимметрия), которая зависит от плотности атомов. Обнаружено, что положительный частотный сдвиг нелинейного вклада в спектроскопический сигнал более чем на три порядка превосходит известный отрицательный сдвиг из-за межатомного диполь-дипольного взаимодействия. Несмотря на то, что данный сдвиг зависит от плотности атомов, этот огромный эффект обусловлен только свободным движением атомов в газе при самосогласованном описании в рамках уравнений Максвелла-Блоха и никак не связан с межатомным взаимодействием. Кроме того, отметим пропорциональную зависимость данного сдвига от доплеровской ширины линии. Предложена экспериментальная схема, позволяющая отдельно исследовать форму линии только нелинейного по полю вклада, суть которой состоит в следующем. Входная интенсивность модулируется по гармоническому закону с частотой много меньшей естественной ширины линии. Тогда спектральная зависимость второй гармоники в сигнале пропускания будет соответствовать форме линии для нелинейной поправки. Наиболее подходящими для сравнения теории и эксперимента с точки зрения используемой двух-уровневой модели являются четные изотопы атомов щелочноземельных металлов (например, Mg, Ca, Sr, Yb, Hg), которые имеют замкнутые оптические переходы 1S0 → 1P1 и 1S0 → 3P1. Отметим, что во многих теоретических работах неоднородное доплеровское уширение линии описывают в рамках математической модели ансамбля неподвижных атомов, когда резонансная частота каждого атома смещена на случайную величину (в соответствии с распределением Гаусса). Однако в данном стохастическом методе эффекты свободного движения атомов, обнаруженные нами, не могут быть учтены. Эти эффекты строго обусловлены наличием дифференциального оператора в уравнении для матрицы плотности в сочетании с комплексностью волнового вектора (из-за поглощения волны в среде), что не может быть сведено только к доплеровскому сдвигу частоты для движущихся атомов. Помимо фундаментального аспекта, полученные результаты представляют интерес для прецизионной лазерной спектроскопии. В частности, обнаруженные эффекты могут иметь важное значение для такого современного направления исследований как лазерная термометрия на основе доплеровского уширения спектральных линий в газе атомов [Gravina et al., J. Phys.: Conf. Ser. 2439, 012015 (2023)]. Далее были выполнены расчеты для резонанса насыщенного поглощения с учетом нелинейных по плотности газа спектроскопических эффектов, индуцированных движением атомов. Рассмотрена схема, в которой субдоплеровский резонанс возбуждается в поле двух встречных волн одинаковой частоты. В качестве спектроскопического сигнала исследовалась интенсивность на выходе из газовой среды для одной из волн. Получено аналитическое выражение для сигнала пропускания при произвольной оптической толщине, т.е. вне рамок часто используемого в теоретических работах приближения оптически тонкой среды. Выполнены расчеты спектральной зависимости сигнала пропускания при различных параметрах модели. Из проведенного анализа следует, что учет влияния свободного движения атомов на волновое число поля в среде приводит к сдвигу, величина которого значительно (более чем в 5 раз) меньше сдвига из-за диполь-дипольного взаимодействия при одинаковой плотности атомов. Таким образом, для резонанса насыщенного поглощения, возбуждаемого монохроматическим полем в конфигурации встречных волн, доминирующий вклад вносит сдвиг вследствие межатомного взаимодействия, что кардинально отличается от ситуации с доплеровской формой линии. Разработан экспериментальный стенд, на котором была реализована импульсная схема возбуждения резонанса КПН в парах рубидия-87 с использованием метода фазовых прыжков для генерации сигнала ошибки. В качестве источника многочастотного излучения использовался полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) и прямой СВЧ модуляцией тока инжекции. Отработаны методы регистрации рамсеевских резонансов и быстрой цифровой обработки спектроскопического сигнала при построении системы обратной связи для стабилизации частоты. Продемонстрирована реализация атомного стандарта частоты с кратковременной нестабильность 3.2e-11 при времени усреднения 1 секунда. По кратковременной стабильности полученный результат сопоставим со спектроскопией непрерывного типа. Однако, ключевым преимуществом импульсных схем является возможность подавления светового сдвига при использовании методов на основе обобщенной рамсеевской спектроскопии, что должно привести к существенному улучшению долговременной стабильности по отношению к более простой в реализации спектроскопии непрерывного типа. Экспериментально исследовано возбуждение резонанса КПН в поле встречных волн с ортогональными круговыми поляризациями в спектроскопии непрерывного типа. Реализована оригинальная схема с использованием выходного зеркала с частичным пропусканием, о которой ранее не сообщалось в литературе. Определены условия конструктивной интерференции. Достигнуто увеличение контраста резонанса в 2-4 раза (в зависимости от мощности) по сравнению со стандартной схемой с одной волной. Устранение ловушечного состояния позволило в нашей установке увеличить мощность для достижения наилучшего контраста до 30-40 мкВт, тогда как в схеме с одной волной контраст падает уже при мощности более 10 мкВт из-за откачки атомов в ловушечное состояние. При использовании выходного зеркала с пропусканием 10% получено улучшение кратковременной стабильности в 1.5 раза по сравнению со стандартной схемой.

 

Публикации

1. Юдин В.И., Тайченачев А.В., Басалаев М.Ю., Прудников О.Н., Пальчиков В.Г., Занон-Виллетт Т., Багаев С.Н. Влияние свободного движения атомов на эффекты, зависящие от плотности атомов, в нелинейной лазерной спектроскопии резонансных газовых сред Письма в ЖЭТФ, Том 117, Вып. 6, С. 406 - 413 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S1234567823060034