Кремний становится идеальным инструментом при минус 149 градусах

Американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2001 года Эрик Корнелл в одной лекции сказал, что сегодня новые физические законы могут быть открыты в трех областях исследований: в наблюдении Вселенной через большие телескопы, в изучении столкновений частиц высоких энергий на ускорителях и в прецизионных (высокоточных) экспериментах в лаборатории. Прецизионные измерения — отдельная область физики c собственными идеями, подходами и крупными международными проектами.

Прецизионные измерения позволяют очень точно измерять физические константы и определять свойства физических систем, однако этим их роль в фундаментальной науке не ограничивается. Значительная часть современных физиков изучает процессы, происходящие на очень малых пространствах и энергиях. И чтобы «пощупать» такие физические явления и открыть новые законы, требуется высокая точность измерений. Кроме того, многие прецизионные эксперименты направлены на поиск несоответствия между современными теориями и физической реальностью. Хорошая теория должна максимально точно описывать реальность, поэтому поиск погрешностей в таких теориях требует исключительно аккуратных расчетов и высокой культуры эксперимента.

Чтобы провести прецизионное измерение на пределе экспериментальных возможностей, нужно придумать метод измерения и использовать лучшие приборы. Многие экспериментальные методы в данной области опираются на спектроскопию — изучение свойств поглощения и испускания излучения (например, света) различными частицами.

Свет в силу своих свойств позволяет наблюдать процессы, происходящие на микроуровне, с высоким разрешением. Спектроскопия серий Лаймана и Бальмера атома водорода заложила основу знаменитой боровской модели, предсказывающей значения уровней энергии водородоподобных систем. Блестящий опыт Штерна—Герлаха был первым свидетельством существования спина электрона. Точное измерение аномального магнитного момента электрона и слабого лэмбовского сдвига в атоме водорода легли в основу появления современной квантовой электродинамики. Фримен Дайсон, обращаясь к Уиллису Лэмбу, сказал: «Годы, когда лэмбовский сдвиг был центральной темой физики, были золотыми годами для всех физиков моего поколения. Вы были первым, кто увидел, что этот крошечный сдвиг, столь неуловимый и трудно измеримый, прояснит наше понимание частиц и полей».

Экспериментальные методы, повышающие точность спектроскопии, продолжают активно развиваться и сегодня. Прецизионные эксперименты позволяют решать самые амбициозные задачи современной физики: от создания самых точных в мире часов до изучения антиматерии и поиска экзопланет. Триумфом высокоточных измерений стало обнаружение гравитационных волн при помощи огромных четырехкилометровых лазерных интерферометров коллаборацией LIGO в 2015 году.

В Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) ведутся работы, нацеленные на совершенствование одного из главных инструментов прецизионной физики — лазера. Лазерное излучение имеет определенную длину волны, и, фокусируя его на изучаемый объект, можно изучать его спектр поглощения. Однако лазеры подвержены разного рода воздействиям, и длина волны может непредсказуемо изменяться в некоторых пределах. Для повышения точности экспериментов необходимо поддерживать ее как можно более постоянной. Это можно делать при помощи интерферометра Фабри—Перо — прибора, представляющего собой пару зеркал, установленных друг напротив друга. Особенным свойством такой системы зеркал является то, что она становится прозрачной для лазера, если расстояние между зеркалами кратно половине длины волны излучения. Если пару зеркал специальным образом закрепить друг напротив друга и хорошо защитить от влияния внешних воздействий — от колебаний температуры и вибраций, такой интерферометр можно будет использовать в качестве эталона длины волны. Осуществив автоматическую подстройку длины волны излучения к длине интерферометра, то есть поддерживая интерферометр прозрачным для лазера, можно уменьшить колебания длины волны лазера более чем в миллион раз.

Для этого необходимо выбрать форму и материал интерферометра так, чтобы его длина менялась как можно меньше. Ученые ФИАН работают над созданием лазера, длина волны которого стабилизируется по интерферометру из кремния, который обладает специфическими свойствами. Используется чистый кремний, вырезанный из единого кристалла, как для процессоров в компьютерах. На первый взгляд кремний кажется непрозрачным черным блестящим материалом, но это только в видимом свете. В области инфракрасного излучения, где работают лазеры для передачи интернет-трафика, кремний оказывается так же прозрачен, как стекло.

Обычным материалам свойственно расширяться при нагревании. Так же ведет себя и кремний при температуре выше минус 149 градусов Цельсия. Однако в области более низких температур он, наоборот, сжимается при нагревании. Если зафиксировать температуру интерферометра на границе этих областей, в точке минус 149 градусов, то длина удивительным образом окажется устойчива к колебаниям температуры.

Другое и даже более важное свойство кремния — чрезвычайно низкий уровень теплового шума, то есть случайные колебания зеркал интерферометра, свойственные всем нагретым телам, имеющим температуру выше абсолютного нуля (минус 273 градуса), будут чрезвычайно малы. Тепловые шумы похожи на броуновское движение: любопытно, что все окружающие нас предметы на самом деле «дышат», атомы на поверхности все время дрожат и лазеры позволяют это наблюдать. Эти и ряд других новых технологий позволят создать лазер с шириной линии излучения меньше чем 1 герц, что соответствует абсолютной нестабильности длины интерферометра менее размера протона. Для сравнения — ширина всего спектра видимого излучения составляет 400 трлн герц.

Интересно отметить, что именно кремниевые зеркала будут положены в основу следующего поколения детекторов гравитационных волн.

Ультрастабильные лазеры, разрабатываемые в ФИАН, станут частью новых точнейших оптических часов, которые имеют множество приложений: создание государственного эталона времени в Национальном метрологическом институте России, повышение точности спутниковой навигации, измерение дрейфа физических констант, поиск темной материи и другие исследования Вселенной — от квантовых масштабов до космических.

Авторы благодарят Российский научный фонд (грант 19-72-10166) за поддержку проекта

Никита Жаднов, Константин Кудеяров, Гульнара Вишнякова, Николай Колачевский, ФИАН им. П. Н. Лебедева