Нобелевские лауреаты по физике 2005 г.

Р.Глаубер (слева), Д.Холл (вверху) и Т.Хэнш (внизу)

Лауреатами нобелевской премии в области физики в 2005 г. стали американские ученые Рой Глаубер (R.J.Glauber) и Джон Холл (J.L.Hall), а также немецкий исследователь Теодор Хэнш (T.W.Hдnsch). Все они – специалисты по квантовой оптике, дисциплине, возникшей одновременно с лазерами – источниками когерентного монохроматического света. Глаубер, предложивший теоретическое описание поведения фотонов, получит половину Нобелевской премии «за вклад в квантовую теорию оптической когерентности», Холл и Хэнш разделят вторую половину премии «за вклад в развитие прецизионной лазерной спектроскопии, в том числе за разработку метода чаcтотной гребёнки*».

Основополагающая работа Глаубера была опубликована в 1963 г. и была посвящена объяснению так называемого эффекта Брауна–Твисса – появлению когерентной связи (а именно, антикорреляции) между сигналами двух детекторов, работающих с одним и тем же слабым пучком света (явление было замечено в 1956 г., когда астрономы пытались измерить угловой размер звезды Сириус с помощью интерферометра). Если бы свет имел только волновую природу, то его интенсивность, регистрируемая обоими детекторами, изменялась бы одинаково во времени. Однако корпускулярная природа света не позволяет одному и тому же фотону достичь обоих детекторов: либо он летит в первый детектор, либо во второй. Поэтому, когда фотонов очень мало (пучок света очень слабый), между сигналами детекторов наблюдается антикорреляция – при увеличении сигнала одного из детекторов сигнал другого падает, и наоборот. Глаубер, обобщив данные многих исследователей, предположил, что искажения интерференционной картины от таких слабых некогерентных источников излучения по сравнению с классической связаны с фотоэлектронным эффектом внутри детектора, имеющим квантовую природу. Действительно, измерить интенсивность света с помощью детектора мы можем только после того, как в нём произошло поглощение фотона. Если, например, приёмник – фотоплёнка, то её почернение вызвано тем, что поглощённый фотон отрывает электрон от какого-нибудь отрицательного иона и «возвращает» его иону серебра. Как только это произошло, вероятность поглощения следующего фотона изменяется. Таким образом, вероятность поглощения каждого следующего фотона начинает зависеть от тех фотонов, что достигли детектора раньше, а рассмотрение когерентности и некогерентности должно основываться на «коллективном поведении» фотонов. Работы Глаубера в квантовой оптике позволили объяснить фундаментальные различия между горячими источниками света типа ламп накаливания (смесь частот и фаз излучения) и лазерами (определённая частота и фаза) и послужили теоретической основой разработки более совершенных монохроматических источников излучения.

Холл и Хэнш занимались практической стороной усовершенствования лазера, пытаясь добиться максимальной когерентности и монохроматичности излучения. Известно, что способность генерировать свет строго определённой длины волны считается главным свойством лазера. Однако в большинстве случаев лазерное излучение представляет собой набор волн близкой длины волны, что чаще всего объясняют эффектом Доплера. Так как атомы внутри лазера движутся с неодинаковыми скоростями, то и частота излучения (цвет луча) становится также не строго постоянной. Это непостоянство мало и незаметно (около 10^–4 % от длины волны), однако, если использовать лазер в качестве стандарта для измерения времени, то такая точность оказывается недостаточной. Решение было найдено Холлом и Хэншем, получившими лазеры с жёстко фиксированной длиной волны, а также лазеры, излучающие ультракороткие импульсы (10–15 с). Чем уже импульс, тем шире его частотный спектр, который может превышать октаву. Например, спектр импульса длительностью 1 фc содержит порядка миллиона мод (разных частот). Такие лазеры можно использовать как часы, сообщающие время с точностью до 18 знаков после запятой, а также, в сочетании с «методом частотной гребёнки*», для того чтобы измерять с очень высокой точностью частоты излучения молекул и атомов, что может быть использовано, в частности, для развития GPS-систем (систем спутникового позиционирования и навигации)», – отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета.

Пояснение к методу частотной гребёнки. Вверху: схема генерации лазерных ультракоротких импульсов. Внизу слева: на верхней картинке показана последовательность импульсов, каждый длительностью в несколько колебаний, на нижней картинке – частотный спектр испульса. Спектр представляет собой ряд частотных компонент, разделённых одинаковыми, хорошо измеряемыми частотными интервалами fr (гребёнку). Однако значение нулевой точки спектра неизвестно – оно определяется неизвестным частотным сдвигом f₀. На схеме справа поясняется методика измерения этого частотного сдвига: с помощью нелинейного преобразования все частоты спектра удваиваются, а затем самая низкая удвоенная частота сравнивается с самой высокой исходной частотой и по частоте биений определяется f₀. Зная теперь абсолютное значение каждой спектральной составляющей, легко измерить неизвестную частоту, сравнивая её с ближайшим «зубом» гребёнки.

К.Ю.Богданов, Н.Д.Козлова, г. Москва

__________________________________

*Optical frequency comb technique.