Nadie se había acercado tanto al láser ideal antes:teóricamente, La luz láser tiene un solo color (también frecuencia o longitud de onda). En realidad, sin embargo, siempre hay un cierto ancho de línea. Con un ancho de línea de solo 10 mHz, el láser que los investigadores del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) han desarrollado ahora junto con investigadores estadounidenses de JILA, ha establecido un nuevo récord mundial. Esta precisión es útil para diversas aplicaciones como relojes atómicos ópticos, espectroscopia de precisión, radioastronomía y para probar la teoría de la relatividad. Los resultados se han publicado en la edición actual de Cartas de revisión física .

Alguna vez se consideró que los láseres eran una solución sin problemas, pero eso ya es historia. Han pasado más de 50 años desde la primera realización técnica del láser, y no podemos imaginarnos cómo podríamos vivir sin ellos hoy. La luz láser se utiliza en numerosas aplicaciones en la industria, medicina y tecnologías de la información. Los láseres han supuesto una auténtica revolución en muchos campos de la investigación y la metrología, o incluso han hecho posibles algunos campos nuevos en primer lugar.

Una de las propiedades sobresalientes de un láser es la excelente coherencia de la luz emitida. Para los investigadores, esta es una medida de la frecuencia regular y el ancho de línea de la onda de luz. Idealmente, La luz láser tiene solo una longitud de onda (o frecuencia) fija. En la práctica, el espectro de la mayoría de los tipos de láseres puede, sin embargo, alcanzar desde unos pocos kHz hasta unos pocos MHz de ancho, lo cual no es lo suficientemente bueno para numerosos experimentos que requieren alta precisión.

Por lo tanto, la investigación se ha centrado en desarrollar láseres cada vez mejores con mayor estabilidad de frecuencia y un ancho de línea más estrecho. Dentro del alcance de un proyecto conjunto de casi 10 años con los colegas estadounidenses de JILA en Boulder, Colorado, ahora se ha desarrollado un láser en PTB cuyo ancho de línea es de solo 10 mHz (0,01 Hz), estableciendo por la presente un nuevo récord mundial. "Cuanto menor sea el ancho de línea del láser, cuanto más precisa sea la medición de la frecuencia del átomo en un reloj óptico. Este nuevo láser nos permitirá mejorar de forma decisiva la calidad de nuestros relojes ", Thomas Legero, físico de PTB, explica.

Además del ancho de línea extremadamente pequeño del nuevo láser, Legero y sus colegas descubrieron mediante mediciones que la frecuencia de la luz láser emitida era más precisa de lo que se había logrado antes. Aunque la onda de luz oscila aprox. 200 billones de veces por segundo, solo se desincroniza después de 11 segundos. Para entonces, el tren de ondas perfecto emitido ya ha alcanzado una longitud de aprox. 3,3 millones de kilómetros. Esta longitud corresponde a casi diez veces la distancia entre la Tierra y la Luna.

Dado que no había otro láser de precisión comparable en el mundo, los científicos que trabajaban en esta colaboración tuvieron que instalar dos sistemas láser de este tipo directamente. Solo comparando estos dos láseres fue posible probar las excelentes propiedades de la luz emitida.

La pieza central de cada uno de los láseres es un resonador de silicio Fabry-Pérot de 21 cm de largo. El resonador consta de dos espejos altamente reflectantes que se encuentran uno frente al otro y se mantienen a una distancia fija mediante un doble cono. Similar a un tubo de órgano, la longitud del resonador determina la frecuencia de la onda que comienza a oscilar, es decir., la onda de luz dentro del resonador. La electrónica de estabilización especial garantiza que la frecuencia de luz del láser siga constantemente la frecuencia natural del resonador. La estabilidad de frecuencia del láser, y por lo tanto su ancho de línea, depende solo de la estabilidad de longitud del resonador Fabry-Pérot.

Los científicos de PTB tuvieron que aislar el resonador casi perfectamente de todas las influencias ambientales que pudieran cambiar su longitud. Entre estas influencias se encuentran las variaciones de temperatura y presión, pero también perturbaciones mecánicas externas debidas a ondas sísmicas o sonido. Al hacerlo, han alcanzado tal perfección que la única influencia que quedaba era el movimiento térmico de los átomos en el resonador. Este "ruido térmico" corresponde al movimiento browniano en todos los materiales a una temperatura finita, y representa un límite fundamental para la estabilidad longitudinal de un sólido. Su extensión depende de los materiales utilizados para construir el resonador, así como de la temperatura del resonador.

Por esta razón, Los científicos de esta colaboración fabricaron el resonador a partir de silicio monocristalino que se enfrió a una temperatura de -150 ° C. El ruido térmico del cuerpo de silicio es tan bajo que las fluctuaciones de longitud observadas solo se originan a partir del ruido térmico de las capas de espejo dieléctricas de SiO2 / Ta2O5. Aunque las capas de espejo tienen solo unos pocos micrómetros de espesor, dominan la estabilidad de longitud del resonador. En total, la longitud del resonador, sin embargo, solo fluctúa en el rango de 10 attómetros. Esta longitud corresponde a no más de una diez millonésima parte del diámetro de un átomo de hidrógeno. Las variaciones de frecuencia resultantes del láser ascienden, por tanto, a menos de 4 x 10-17 de la frecuencia del láser.

Los nuevos láseres se están utilizando ahora tanto en PTB como en JILA en Boulder para mejorar aún más la calidad de los relojes atómicos ópticos y para llevar a cabo nuevas mediciones de precisión en átomos ultrafríos. En PTB, la luz ultraestable de estos láseres ya se distribuye a través de guías de ondas ópticas y luego es utilizada por los relojes ópticos en Braunschweig.

"En el futuro, Está previsto difundir esta luz también dentro de una red europea. Este plan permitiría comparaciones aún más precisas entre los relojes ópticos en Braunschweig y los relojes de nuestros colegas europeos en París y Londres ", Legero dice. En Boulder, Existe un plan similar para distribuir el láser a través de una red de fibra que se conecta entre JILA y varios laboratorios del NIST.

Los científicos de esta colaboración ven más posibilidades de optimización. Con nuevas capas de espejo cristalino y temperaturas más bajas, el molesto ruido térmico se puede reducir aún más. El ancho de línea podría incluso llegar a ser inferior a 1 mHz.