Nessuno si era mai avvicinato così tanto al laser ideale prima d'ora:in teoria, la luce laser ha un solo colore (anche frequenza o lunghezza d'onda). In realtà, però, c'è sempre una certa larghezza di riga. Con una larghezza di linea di soli 10 mHz, il laser che i ricercatori del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hanno ora sviluppato insieme ai ricercatori statunitensi della JILA, ha stabilito un nuovo record mondiale. Questa precisione è utile per varie applicazioni come orologi atomici ottici, spettroscopia di precisione, radioastronomia e per testare la teoria della relatività. I risultati sono stati pubblicati nell'attuale numero di Lettere di revisione fisica .

I laser una volta erano considerati una soluzione senza problemi, ma ora è storia. Sono passati più di 50 anni dalla prima realizzazione tecnica del laser, e non possiamo immaginare come potremmo vivere senza di loro oggi. La luce laser è utilizzata in numerose applicazioni nell'industria, medicina e tecnologie dell'informazione. I laser hanno portato una vera rivoluzione in molti campi della ricerca e della metrologia - o addirittura hanno reso possibili alcuni nuovi campi in primo luogo.

Una delle straordinarie proprietà di un laser è l'eccellente coerenza della luce emessa. Per i ricercatori, questa è una misura della frequenza regolare dell'onda luminosa e della larghezza di linea. Idealmente, la luce laser ha una sola lunghezza d'onda (o frequenza) fissa. In pratica, lo spettro della maggior parte dei tipi di laser può, però, raggiungere da pochi kHz a pochi MHz di larghezza, che non è abbastanza buono per numerosi esperimenti che richiedono alta precisione.

La ricerca si è quindi concentrata sullo sviluppo di laser sempre migliori con una maggiore stabilità di frequenza e una larghezza di riga più stretta. Nell'ambito di un progetto congiunto di quasi 10 anni con i colleghi statunitensi di JILA a Boulder, Colorado, è stato ora sviluppato un laser al PTB la cui larghezza di linea è di soli 10 mHz (0,01 Hz), stabilendo così un nuovo record mondiale. "Più piccola è la larghezza di linea del laser, più accurata è la misurazione della frequenza dell'atomo in un orologio ottico. Questo nuovo laser ci consentirà di migliorare decisamente la qualità dei nostri orologi", Spiega il fisico PTB Thomas Legero.

Oltre alla larghezza di linea estremamente ridotta del nuovo laser, Legero ei suoi colleghi hanno scoperto mediante misurazioni che la frequenza della luce laser emessa era più precisa di quanto non fosse mai stato raggiunto prima. Sebbene l'onda luminosa oscilli di ca. 200 trilioni di volte al secondo, va fuori sincrono solo dopo 11 secondi. Per allora, il treno d'onde perfetto emesso ha già raggiunto una lunghezza di ca. 3,3 milioni di chilometri. Questa lunghezza corrisponde a quasi dieci volte la distanza tra la Terra e la luna.

Poiché non esisteva un altro laser di precisione comparabile al mondo, gli scienziati che lavoravano a questa collaborazione hanno dovuto installare subito due di questi sistemi laser. Solo confrontando questi due laser è stato possibile dimostrare le eccezionali proprietà della luce emessa.

Il pezzo centrale di ciascuno dei laser è un risonatore al silicio Fabry-Pérot lungo 21 cm. Il risonatore è costituito da due specchi altamente riflettenti che sono posti uno di fronte all'altro e sono mantenuti a distanza fissa per mezzo di un doppio cono. Simile a un organo a canne, la lunghezza del risonatore determina la frequenza dell'onda che inizia ad oscillare, cioè., l'onda luminosa all'interno del risonatore. L'elettronica di stabilizzazione speciale assicura che la frequenza della luce del laser segua costantemente la frequenza naturale del risonatore. La stabilità della frequenza del laser - e quindi la sua larghezza di linea - dipende quindi solo dalla stabilità della lunghezza del risonatore Fabry-Pérot.

Gli scienziati del PTB hanno dovuto isolare il risonatore quasi perfettamente da tutte le influenze ambientali che potrebbero modificarne la lunghezza. Tra queste influenze ci sono le variazioni di temperatura e pressione, ma anche perturbazioni meccaniche esterne dovute a onde sismiche o sonore. Hanno raggiunto una tale perfezione facendo in modo che l'unica influenza rimasta era il movimento termico degli atomi nel risonatore. Questo "rumore termico" corrisponde al moto browniano in tutti i materiali a temperatura finita, e rappresenta un limite fondamentale alla stabilità in lunghezza di un solido. La sua estensione dipende dai materiali utilizzati per costruire il risonatore e dalla temperatura del risonatore.

Per questa ragione, gli scienziati di questa collaborazione hanno prodotto il risonatore da silicio monocristallino che è stato raffreddato a una temperatura di -150 °C. Il rumore termico del corpo di silicio è così basso che le fluttuazioni di lunghezza osservate provengono solo dal rumore termico degli strati di specchio dielettrico SiO2/Ta2O5. Sebbene gli strati dello specchio siano spessi solo pochi micrometri, dominano la stabilità della lunghezza del risonatore. In totale, la lunghezza del risonatore, però, oscilla solo nell'intervallo di 10 attometri. Questa lunghezza corrisponde a non più di un decimilionesimo del diametro di un atomo di idrogeno. Le variazioni di frequenza risultanti del laser ammontano quindi a meno di 4 × 10-17 della frequenza laser.

I nuovi laser vengono ora utilizzati sia al PTB che al JILA di Boulder per migliorare ulteriormente la qualità degli orologi atomici ottici e per eseguire nuove misurazioni di precisione su atomi ultrafreddi. A PTB, la luce ultrastabile di questi laser viene già distribuita tramite guide d'onda ottiche e viene quindi utilizzata dagli orologi ottici di Braunschweig.

"Nel futuro, si prevede di diffondere questa luce anche all'interno di una rete europea. Questo piano consentirebbe confronti ancora più precisi tra gli orologi ottici di Braunschweig e gli orologi dei nostri colleghi europei a Parigi e Londra", dice Legero. a Boulder, un piano simile è in atto per distribuire il laser su una rete in fibra che collega JILA e vari laboratori NIST.

Gli scienziati di questa collaborazione vedono ulteriori possibilità di ottimizzazione. Con nuovi strati di specchi cristallini e temperature più basse, il rumore termico di disturbo può essere ulteriormente ridotto. La larghezza di linea potrebbe quindi diventare anche inferiore a 1 mHz.