เลเซอร์เป็นนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดในโลก

เครื่องเมตรอนอมช่วยให้ภาพยนตร์เคลื่อนไหวช้าของอะตอมและโมเลกุล

แสงเลเซอร์ประสานเลเซอร์ฟรีอิเล็กตรอนเช่นระบบ DESY FLASH © DESY
อ่านออกเสียง

เครื่องเมตรอนอมที่ดีที่สุดในโลกนั้นใช้เวลานานถึงสิบล้านล้านวินาทีในการสร้างภาพยนตร์สโลว์โมชั่นจากโลกของโมเลกุลและอะตอม สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์โดยทีมวิจัยระดับนานาชาติ เครื่องเมตรอนอมประกอบด้วยเลเซอร์พิเศษซึ่งใช้เป็นล้อมู่เล่แบบแสง

มันเป็นนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดที่รู้จักกันในปัจจุบันตามที่นักวิทยาศาสตร์ Franz Kärtnerจากศูนย์วิทยาศาสตร์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (CFEL) และสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ในวารสาร Nature Photonics

วงจรเลเซอร์ที่แม่นยำ

ตามที่นักวิจัยระบุว่านาฬิกาเลเซอร์นั้นมีความแม่นยำถึงสิบ attoseconds (หนึ่งล้านล้านวินาที) ซึ่งมีความยาว 0.000.000.000.000.000.01 วินาที นาฬิกาอะตอมมีความแม่นยำสูงยิ่งขึ้น แต่ใช้เวลานานขึ้น เฉพาะนาฬิกาเลเซอร์ที่แม่นยำเท่านั้นที่อนุญาตให้ภาพยนตร์จาก nanocosm ได้เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุลมักเกิดขึ้นในช่วง 100 attoseconds ถึง femtoseconds สองสามดวงตามที่Kärtnerอธิบาย

"นี่เป็นมาตราส่วนเวลาโดยประมาณที่อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสอะตอมไฮโดรเจนหรือประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านโมเลกุลในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง" นักวิจัยหวังว่าจะได้รับข้อมูลเชิงลึกอย่างละเอียดเกี่ยวกับกระบวนการเหล่านี้จากแหล่งกำเนิดแสงใหม่ที่รู้จักกันในชื่อ

เป้าหมายของการสอบสวนถูกแยกออกจากกัน

เลเซอร์ฟรีอิเล็กตรอนเช่นระบบ FLASH ที่ German Electron Synchrotron DESY หรือเลเซอร์เอ็กซเรย์ยุโรป European XFEL ที่อยู่ระหว่างการก่อสร้างในเมืองเดรสเดนทำให้เกิดแสงเกินขีด จำกัด และในเวลาเดียวกันแสง UV และรังสีเอกซ์ ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าแสงเฉพาะนี้ช่วยให้สามารถถ่ายภาพมาโครของแต่ละอะตอมและโมเลกุลได้ อย่างไรก็ตามวัตถุภายใต้การตรวจสอบนั้นถูกฉีกออกเนื่องจากความเข้มของแสงนี้ แสดงผล

ดังนั้นในการสร้างภาพยนตร์สโลว์โมชั่นของกระบวนการเกี่ยวกับโมเลกุลเราต้องทำซ้ำกระบวนการเดียวกันหลายครั้งด้วยตัวอย่างสดและถ่ายภาพสแนปชอตด้วยความละเอียดระดับอะตอมในภายหลัง แต่คุณจะเปลี่ยนการเปิดรับอย่างน่าเชื่อถือไปข้างหน้าและข้างหลังในเวลาเดียวกันได้อย่างไร เพื่อจุดประสงค์นี้เลเซอร์แสงทำหน้าที่เป็นนาฬิกา ในเลเซอร์พัลส์จะแกว่งไปมาระหว่างกระจกสองบานโดยแต่ละด้านจะมีการแยกส่วนของพัลส์ออกจากกัน

เลเซอร์ที่นำมาเปรียบเทียบทั้งสองทำงานเหมือนมู่เล่แบบออพติคอลที่เปล่งคลื่นทุกครั้ง สิ่งนี้จะสร้างสายโซ่ของเลเซอร์พัลส์ที่มีความทนทานสูง Bened Andrew Benedick / MIT

มู่เล่ออฟติคอล

ผลที่ได้คือลำดับการเต้นของชีพจรที่ช่วยให้ส่วนประกอบทั้งหมดในเลเซอร์ฟรีอิเล็กตรอนถูกกำหนดเวลาและซิงโครไนซ์อย่างแม่นยำนักวิทยาศาสตร์กล่าว ด้วยวิธีนี้ทั้งกระบวนการที่จะสังเกตได้เริ่มต้นขึ้นและกด "ปล่อย" สำหรับสแนปชอตล่าช้าโดยเจตนาและทำให้ลำดับเวลาสามารถตั้งค่าได้ ของกระบวนการ

เนื่องจากการเต้นของหัวใจเต้นเป็นจังหวะกลับไปกลับมาภายในเลเซอร์นาฬิกานักฟิสิกส์จึงทำการเปรียบเทียบกับมู่เล่ซึ่งมักใช้ในกลไกเพื่อรักษาเสถียรภาพของเหตุการณ์ปกติ อย่างไรก็ตามมันก็ไม่มีความชัดเจนจนถึงปัจจุบันว่ามู่เล่แบบออพติคอลนี้มีความเสถียรเพียงใด สิ่งนี้สามารถวัดได้โดยตรงด้วยนาฬิกาที่แม่นยำยิ่งขึ้น แต่มันไม่ได้มีอยู่จริงมิฉะนั้นมันจะถูกใช้ในทางปฏิบัติ

นักวิจัยเปรียบเทียบนาฬิกาเลเซอร์ความแม่นยำสูง

ทีมงานK rtnerจึงเปรียบเทียบนาฬิกาเลเซอร์ความแม่นยำสูงสองเครื่องที่ MIT ด้วยวิธีนี้จะสามารถหาข้อผิดพลาดโดยเฉลี่ยของเลเซอร์ทั้งสองได้ การเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่าทั้งสองวิ่งมากกว่าหมื่น insteps ถึงสิบ attoseconds นี่เป็นความแม่นยำมากกว่าการประสานในเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีอยู่ในปัจจุบันเป็นไปได้มากกว่าพันเท่า

ความแม่นยำที่สูงมากนี้เริ่มแรกเสถียรตลอดระยะเวลารวมของไมโครวินาที (หนึ่งในล้านของวินาที) นักฟิสิกส์กล่าว อย่างไรก็ตามสามารถรักษาได้เป็นระยะเวลานานขึ้นหากเลเซอร์เสถียรโดยกระบวนการอะตอมที่เหมาะสมนาฬิกาอะตอมทำงานตามหลักการนี้ ในความเป็นจริงแล้วสิ่งที่เรียกว่าโหมดล็อคด้วยเลเซอร์ในรูปแบบที่คล้ายกันนับเป็นเคาน์เตอร์ของนาฬิกาอะตอมที่ทันสมัย (Nature Photonics, 2012, DOI: 10.1038 / NPHOTON.2011.326)

(DESY, 17.01.2012 - DLO)