Un nou record în stabilitatea fasciculelor laser ne-ar putea ajuta să răspundem la unele dintre cele mai grele întrebări ale fizicii

Oamenii de știință au misiunea de a crea o rețea globală de ceasuri atomice care ne va permite, printre altele, să înțelegem mai bine legile fundamentale ale fizicii, să investigăm materia întunecată și să călătorim mai precis pe Pământ și în spațiul cosmic.

Pentru a fi cât mai eficiente, aceste ceasuri trebuie să fie conectate, în mod fiabil și rapid, între ele prin diferitele straturi ale atmosferei, ceea ce nu este o misiune ușoară.

Cu toate acestea, într-un experiment de succes un fascicul laser a fost menținut stabil pe o distanță de 2,4 kilometri (1,5 mile).

Pentru comparație, noua legătură prin fascicul laser este de aproximativ 100 de ori mai stabilă decât oricare alta creată înainte. Aceasta demonstrează, de asemenea, o stabilitate care este de aproximativ 1.000 de ori mai bună decât a ceasurilor atomice pe care aceste lasere le-ar putea monitoriza.

„Rezultatul arată că tehnologiile de stabilizare a fazei și amplitudinii prezentate în această lucrare pot oferi baza unei comparații foarte precise, la scara de timp a ceasurilor atomice optice prin atmosfera turbulentă”, susţin cercetătorii în lucrarea lor.

Sistemul s-a bazat pe unele cercetări efectuate anul trecut, în care oamenii de știință au creat o legătură laser prin atmosferă cu o stabilitate fără precedent.

În noul studiu, cercetătorii au trimis un fascicul laser de la o fereastră aflată la etajul cinci al unei clădiri către un reflector aflat la 1,2 kilometri (0,74 mile) distanță. Fasciculul a fost apoi trimis înapoi la sursă pentru a atinge distanța totală pentru o perioadă de cinci minute.

Montajul experimental de la Universitatea din Australia de Vest. Credit: D. Gozzard/UWA

Folosind tehnici de reducere a zgomotului, controlul temperaturii și mici ajustări ale reflectorului, echipa a reușit să mențină laserul stabil prin masele de aer fluctuant.

Turbulența atmosferică de la nivelul solului din acest experiment este echivalentă, probabil, cu o turbulență sol-satelit (aerul este mai calm și mai puțin dens mai sus în atmosferă) de câteva sute de kilometri.

În timp ce precizia laserului a rămas relativ constantă timp de aproximativ un deceniu, câteva îmbunătățiri semnificative au fost înregistrate recent, inclusiv o configurație laser utilizată de Colaborarea Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON) și testată în martie anul trecut.

Acea configurație a implicat un laser cu puls spre deosebire de laserul cu undă continuă testat în acest nou studiu. Ambele au avantajele lor în diferite scenarii, dar laserele cu undă continuă oferă o stabilitate mai bună și pot transfera mai multe date într-o perioadă de timp stabilită.

„Ambele sisteme bat cel mai bun ceas atomic actual, dar precizia pe care am obţinut-o noi este mai bună”, a declarat astrofizicianul David Gozzard de la Universitatea din Australia de Vest.

După ce vom avea o rețea de ceasuri atomice, oamenii de știință vor putea testa, printre altele, teoria generală a relativității a lui Einstein și modul în care ar putea fi rezolvată incompatibilitatea dintre aceasta și fizica cuantică.

Prin compararea foarte precisă a timpului a două ceasuri atomice, unul pe Pământ și altul în spațiu cosmic, oamenii de știință speră, în cele din urmă, să poată afla limitele de aplicabilitate a relativităţii generale. Dacă ideile lui Einstein sunt corecte, atunci ceasul aflat mai departe de gravitația Pământului ar trebui să ticăie puțin mai repede.

Utilitatea acestor reţele de ceasuri atomice nu se oprește însa aici. Laserele ca acestea ar putea fi folosite, în cele din urmă, pentru controlul lansării obiectelor pe orbită sau pentru comunicațiile între două puncte din spațiul cosmic.

„Desigur, nu putem întinde un cablu de fibră optică către un satelit”, a spus Gozzard.

Cercetarea a fost publicată în Physical Review Letters.

Traducere după This New Record in Laser Beam Stability Could Help Answer Physics’ Biggest Questions