Лаборатория квантовых сенсоров

Лаборатория Квантовых сенсоров (1.12) создана в ИЛФ СО РАН 1 июня 2019 г. с целью расширения тематики работ Института и привлечения в Институт молодых сотрудников. Заведующий лабораторией: кандидат физико-математических наук Гончаров Андрей Николаевич.

Состав лаборатории: 23 сотрудника, из них 3 главных научных сотрудника, 3 старших научных сотрудника, 2 научных сотрудника, 10 младших научных сотрудников, 1 ведущий инженер, 1 инженер, 2 лаборанта.

Основные направления исследований:

  • Разработка и исследование оптического стандарта частоты на основе ультрахолодных атомов;
  • Разработка и исследование прецизионных сенсоров инерциальных сил (ускорения, вращения и гравитации) – акселерометров, гироскопов и гравиметров на основе интерференции ультрахолодных атомов
  • Проведение исследований по созданию высокочувствительных магнитометров на основе магнитоптических резонансов в парах щелочных металлов.

Цели проводимых исследований:

  1. Разработка и создание оптического стандарта частоты на основе ультрахолодных атомов магния с относительной долговременной стабильностью частоты на уровне Δν/ν ≤ 10-1710-18
  2. Разработка, экспериментальная реализация и исследование высокочувствительного квантового акселерометра на основе атомного интерферометра ультрахолодных атомов рубидия с целевой чувствительностью порядка  10-10 – 10-11 м/(с2Гц1/2)
  3. Разработка транспортируемого атомного интерферометра–гравиметра на основе интерференции ультрахолодных атомов рубидия с точностью 0.1 – 0.5 мкГали чувствительностью 1 – 5 мкГал/Гц1/2 для использования в навигации (в том числе космической), геофизике и в решении задач зондирования гравитационного поля Земли и других космических объектов;
  4. Разработка, экспериментальная реализация и исследование высокочувствительного прецизионного квантового гироскопа на основе атомного интерферометра с использованием ультрахолодных атомов рубидия с целевой чувствительностью (ARW) лучше 10 -5 град/час1/2   и точностью удержания нулевого направления (BS)  порядка 10 -5 – 10 -6 град/час. 
  5. Создание высокочувствительного миниатюрного сенсора магнитного поля на основе магнито-чувствительных резонансов в парах щелочных металлов с чувствительностью на уровне 100 фTл/Гц1/2.

 
Разработка оптического стандарта частоты на основе ультрахолодных атомов магния

В настоящее время наиболее перспективными оптическими стандартами частоты являются стандарты на основе нейтральных атомов, захваченных в оптическую решётку на магической длине волны — 87Sr, 199Hg, 171Yb, 24Mg, 169Tm, и на основе одиночных ионов, захваченных в радиочастотные ловушки — 199Hg+, 27Al+, 88Sr+, 171Yb+. Наилучшие результаты по стабильности и точности частоты получены для атомов Sr и Yb.

Атом магния является одним из перспективных элементов для создания на его основе оптического стандарта частоты. Простая электронная структура атома с двумя электронами на внешней оболочке позволяет достаточно просто производить расчёты штарковского, зеемановского и других сдвигов частоты (Рисунок 1). Наличие сильного замкнутого перехода 1S0→1P1 с естественной шириной 79 МГц позволяет осуществлять доплеровское охлаждение атомов до температур порядка единиц мК. Вторая стадия охлаждения может быть реализована на переходе 3P2→3D3, либо используя интеркомбинационный переход 1S0→3P1 в режиме полевого уширения. Переход 1S0→3P1, который может быть использован в качестве ‘часового’, имеет естественную ширину 36 Гц и является самым узким интеркомбинационным переходом среди щёлочноземельных атомов, для которых реализовано лазерное охлаждение. Сдвиг частоты часового перехода атомов магния за счёт теплового излучения на порядок меньше, чем для атомов Sr и Yb. В то же время переход 1S0→3P0 имеет чрезвычайно малую ширину — 4·10−7 Гц и представляет интерес для создания стандарта частоты на основе атомов магния с относительной погрешностью менее 10−17−10−18 при их локализации в оптическую решётку и использования методов магнито-индуцированной спектроскопии.

Рисунок 1

Рисунок 1. Схема уровней атома магния.

В лаборатории была создана экспериментальная установка, включающая в себя лазерную систему для охлаждения атомов магния и их захвата в магнитооптическую ловушку (МОЛ), лазерную систему для проведения спектроскопии высокого разрешения и систему стабилизации частоты. Сильный переход 1S0→1P1 на длине волны 285 нм позволяет эффективно охлаждать атомы до температуры ∼3 мК и захватывать их в МОЛ. Захваченные в МОЛ атомы затем исследуются ‘часовым’ лазером, настроенным на длину волны 457 нминтеркомбинационного перехода 1S0→3P1. Измерение частоты часовой лазерной системы, стабилизированной по переходу атомов магния, осуществляется с помощью фемтосекундного«комба» на основе титан-сапфирового лазера.

Рисунок 2

Рисунок 2. Схема стандарта частоты на основе холодных атомов магния.

Основой стандарта частоты является магнито-оптическая ловушка, фото которой представлено на рис.3

Рисунок 3

Рис.3 Фотография магнитооптической ловушка (МОЛ) для атомов магния.

На Рисунке 4представлены результаты (девиация Аллана) измерений стабильности частоты Mg- стандарта. Относительная долговременная стабильность частоты излучения часовой лазерной системы, стабилизированной по атомам магния, составляет 1·10−15 за время усреднения τ = 103 с. Относительная кратковременная стабильность — 4.7·10−15 при времени усреднения τ = 1 с.

Рисунок 4

Рисунок 4. Девиация АлланаMg-стандарта частоты.

В лаборатории ведутся исследования по созданию компактной часовой лазерной системы на основе диодного лазера и усилителя с расширяющейся областью усиления (рупорный усилитель), и второй магнитооптической ловушки для атомов магния (Рисунок 5).

Рисунок 5-min

Рисунок 5. Лазерная система на 457 нм на основе диодного лазера.

Стабильность частоты может быть существенно увеличена при увеличении отношения сигнал/шум при регистрации резонансов Рамси и уменьшения температуры атомов. Ведутся исследованияпо уменьшению температуры облака холодных атомов магния с использованием субдоплеровского охлаждения атомов во вторичной МОЛ на триплетном переходе 3P2→3D3. При реализации субдоплеровского охлаждения атомов магния до температуры порядка 10 мкК и локализации атомов в одномерной оптической решетке планируется создание стандарта частоты с относительной долговременной нестабильностью и погрешностью частоты на уровне 10–17–10–18.

С помощью лазерной системы на длине волны 383 нм (Рисунок 6), работающей в конфигурации MOPA, нами были зарегистрировали резонансы насыщенного поглощения на триплетных переходах 3P→3D с шириной ~ 200 МГц, которые планируется использовать для перестройки частоты в экспериментах по субдоплеровскому охлаждению атомов магния в магнитооптической ловушке.

Рисунок 6-min

Рисунок 6. Лазерная система на основе диодного лазера на длине волны 383 нм.

Разработка и исследование высокочувствительных магнитометров на основе магнитооптических резонансов в парах щелочных металлов

Разработка высокочувствительных и точных магнетометров представляет большой интерес как для фундаментальной науки, так и большого числа практических применений. Использование магнитометров с оптической накачкой включает в себя геофизические исследования для археологии, обнаружение магнитных аномалий, поиск неразорвавшихся боеприпасов, медицинские приложения, такие как регистрация магнитных полей сердца и мозга (для магнито-кардиографии, магнито-энцефалографии), разведка нефти, квантовая связь, зондирование магнитного поля в космосе, исследования ядерного магнитного резонанса, визуализация магнитного поля и многие другие.

До недавнего времени самой высокой чувствительностьюобладали СКВИД-магнитометры (чувствительность порядка 0.1 – 10фТл/√Гц). В настоящее время одним из самых чувствительных магнитометров считаются магнитометры на основе оптической накачки (чувствительность порядка 1 фТл/√Гц). Магнитометры на основе оптической накачки имеют ряд преимуществ: работают при комнатной температуре (в отличие от СКВИД-магнитометров, работающих при криогенных температурах), имеют небольшие размеры, небольшое энергопотребление и, соответственно, меньшую стоимость и, кроме всего прочего, измеряют абсолютное значение магнитного поля.

В лаборатории ведутся исследования по разработке и исследованию высокочувствительных магнетометров с оптической накачкой на основе КПН (Когерентное Пленение Населенности) резонансов, разработке новых методов и схем получения магнитооптических резонансов на основе пересечения уровней.

Сотрудниками лаборатории получены важные результаты в области магнитометрии с оптической накачкой: gредложен векторный магнитометр на основе резонансов когерентного пленения населённостей, разработаны новые методы наблюдения высококонтрастных магнитооптических резонансов в парах атомов рубидия и цезия для приложений в магнитометрии. Предложен и исследован новый метод векторной магнитометрии на основе нелинейного эффекта сдвига магнитооптического резонанса в поле встречных линейно поляризованных волн.

На рис. 7 представлена схема экспериментальной установки по наблюдению магнито-оптических резонансов, модифицированная конфигурация Ханле: поле встречных волн (“pump-probe”)

Рисунок 7

Рис.7. Схема наблюдения магнито-оптических резонансов.

В результате исследований получены высококонтрастные резонансы с шириной порядка 1 мГс (см. рис.8)

Рисунок 8

Рис.8. Экспериментально наблюдаемый магнитооптический резонанс.

Особенностями предложенного метода являются:

  1. Низкая температура ячейки (≤ 60 оС) по сравнению с типовыми Ханле-сенсорами, работающими в режиме SERF-SpinExchangeRelaxationFree (130 – 150 оС). Это означает малое энергопотребление сенсора и малый нагрев, что особенно важно для многоканального режима измерений.
  2. Чувствительность на уровне лучших Ханле-сенсоров (~ 100 фТл/Гц1/2)*, но с расширенным динамическим диапазоном из-за отсутствия SERF-режима и сверхвысокого контраста нелинейных резонансов. Возможность высокочувствительных измерений в земном магнитном поле (≈ 100 мкТл) без использования экранировки.
  3. Возможность работы в двух режимах: скалярных и векторных измерений.

Разработка и исследование высокочувствительных сенсоров инерциальных сил на основе интерференции холодных атомов.

Интерферометрия холодных атомов в настоящий момент является быстроразвивающейся областью атомной физики. В частности, это обусловлено ее чрезвычайно большой научной и прикладной значимостью. Атомная интерферометрия используется как чувствительный инструмент для исследования фундаментальной физики, например: для проверки принципа эквивалентности общей теории относительности, точного измерения гравитационной постоянной, детектирования гравитационных волн и т.д., а также имеет множество технологических приложений. Поскольку фаза волн де-Бройля массивных частиц чувствительна к силам, действующим на частицы, атомная интерферометрия может служить мощным инструментом для измерения потенциалов и сил. Разработка сверхчувствительных квантовых сенсоров на основе волн материи ультрахолодных атомов открывает большие перспективы для создания приборов и устройств нового поколения. В частности, гравиметры на основе интерференции холодных атомов позволяют осуществлять прецизионные измерения гравитационного поля Земли, требуемые в различных приложениях в метрологии, геофизике, навигации, космосе и т.д.

Основной принцип интерферометрии ультрахолодных атомов заключается в следующем. В высоковакуумной камере создается облако холодных атомов, приготовленных в определенном квантовом состоянии. После отключения магнитной ловушки атомы находятся в состоянии свободного падения за счет действия гравитационного поля Земли. В течение времени свободного падения атомы взаимодействуют с двумя встречными вертикальными лазерными пучками, разность частот которых равна частоте перехода между компонентами сверхтонкой структуры атомов. Принципиальное отличие атомного интерферометра от оптического заключается в том, что свет и материя меняются местами. Поэтому в данном случае лазерное излучение выполняет роль зеркал и делителей атомного пучка, в то время как волны материи интерферируют между собой. Результат такой интерференции наблюдается в изменении населенности одного из подуровней сверхтонкой структуры, а набег фазы интерференционного сигнала позволяет определить ускорение свободного падения (Рис. 9).

Рисунок 9

Рисунок 9. Наглядная схема работы атомного интерферометра

Данное направление в лаборатории является новым, тем не менее, в настоящий момент уже были получены следующие научные результаты: разработана и собрана высоковакуумная камера магнитооптической ловушки (МОЛ) для атомов рубидия (см. рис. 10), в которой достигнут сверхвысокий вакуум (на уровне 10-10Торр); разработана оптическая схема атомного интерферометра. Помимо этого, ведется работа по стабилизации лазерного излучения на частоте охлаждаемого перехода в атоме рубидия, а также сборка лазерной схемы для создания источника холодных атомов рубидия.

Рисунок 10

Рисунок10. Фотография высоковакуумной камеры для создания источника холодных атомов рубидия.

Сотрудники лаборатории в настоящий момент имеют финансовую поддержку исследований от Российского Научного Фонда (3 проекта)  и Российского Фонда Фундаментальных Исследований (6 проектов)

Приглашаем на работу в лабораторию квантовых сенсоров, в аспирантуру, для прохождения научной практики, выполнения курсовых работ молодых сотрудников и студентов, желающих работать в новых и перспективных областях исследований – атомная оптика и интерферометрия, лазерная спектроскопия, квантовая метрология.

Лаборатория Квантовых Сенсоров ИЛФ СО РАН предлагает студентам НГУ и НГТУ следующие темы для курсовых и дипломных работ:

Курсовые работы

  • Магнитооптическая ловушка для атомов
  • Исследование параметров излучения диодного лазера
  • Исследование кривизны волнового фронта с помощью датчика Шарка-Гартмана.
  • Исследование фазовых шумов лазерного излучения при его распространении в оптических волокнах

Дипломные работы

  • Исследование лазерного охлаждения атомов магния
  • Источник ультрахолодных атомов рубидия
  • Лазерная система для охлаждения атомов рубидия в магнитооптической ловушке
  • Исследование магнитооптических резонансов в ячейке с парами атомов рубидия
  • Разработка автоматизированной системы управления экспериментов по атомной интерферометрии