Новости и события
Исследователи МФТИ и ФИАН — победители Конкурса молодых ученых, посвященного 300-летию РАН
Конкурс для молодых ученых, приуроченный к 300-летию Российской академии наук, был запущен в конце 2023 года Благотворительным фондом «Система» и Российской академией наук при поддержке Федеральной службы по интеллектуальной собственности (Роспатент) и российских технологических компаний. Организаторы выбрали 40 финалистов (10 в каждой номинации) из 347 работ, представляющих 45 регионов России, и в июне 2024 года подвели окончательные итоги. Победителями Конкурса стали авторы 16 научных разработок из 9 регионов страны.
В номинации «Искусственный интеллект и квантовые технологии» второе место занял проект «Методы генерации и передачи высокостабильных сигналов оптической частоты», над которым работала команда выпускников ФОПФ МФТИ: Гульнары Вишняковой, старшего научного сотрудника — заместителя заведующего лабораторией оптики ультрахолодных ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов ЛФИ МФТИ (руководитель проекта), Никиты Жаднова, Константина Кудеярова и Дениса Крючкова, научных сотрудников лаборатории оптики сложных квантовых систем ФИАН.
Гульнара Вишнякова и Никита Жаднов настраивают оптическую схему стабилизации частоты лазерного источника по вакуумному криогенному высокостабильному опорному резонатору из монокристаллического кремния
Сегодня оптические стандарты частоты и времени применяются во многих областях, как практических, так и фундаментальных. Сюда относятся формирование национальных и международных шкал времени и частоты, спутниковая навигация, геодезия и сейсмология, астрономические наблюдения, проверка фундаментальных теорий и поиск темной материи. Одним из ключевых направлений в создании, характеризации и применении таких стандартов является разработка ультрастабильных лазерных систем и передача их сигналов на большие расстояния (например, между лабораториями) без потери стабильности.
“
Коллективу ученых МФТИ и ФИАН удалось разработать целый ряд ультрастабильных лазерных систем на различных длинах волн и с разными конфигурациями опорных резонаторов. «Нами спроектированы и созданы две системы на основе 48-сантиметровых резонаторов из стекла ULE: в вертикальной и горизонтальной конфигурациях. Относительная нестабильность частоты каждой из лазерных систем не превышает 2∙10−15. Эти лазерные системы уже нашли свое применение в оптическом стандарте частоты на ультрахолодных атомах стронция, разработанном в Главном метрологическом институте России ВНИИФТРИ.
Принципиальная схема ультрастабильной лазерной системы в составе оптического стандарта частоты на холодных атомах
Ученые разработали также и компактные резонаторы (длиной 2 см) для создания транспортируемых стабилизированных лазерных систем и изучили теоретически и экспериментально эффект влияния оптической мощности на стабильность длины резонаторов. Лазерная система на основе созданного компактного резонатора уже показала свою применимость в лабораторном макете гетеродинного интерферометра, который в будущем может быть масштабирован и использован в проекте гравиметрической космической миссии.
Минимально достижимый уровень нестабильности частоты лазера, стабилизированного по резонатору, определяется фундаментальным эффектом — тепловыми колебаниями зеркал резонатора. Ученые предложили метод, позволяющий осуществить частичную компенсацию тепловых шумов. Также они разработали способ компенсации теплового расширения тела резонатора, позволяющий создавать оптические опорные резонаторы с нулевым тепловым изменением длины их материалов, и провели моделирование, подтвердившее эффективность метода.
Минимально достижимый уровень нестабильности частоты лазера, стабилизированного по резонатору, определяется фундаментальным эффектом — тепловыми колебаниями зеркал резонатора. Ученые предложили метод, позволяющий осуществить частичную компенсацию тепловых шумов. Также они разработали способ компенсации теплового расширения тела резонатора, позволяющий создавать оптические опорные резонаторы с нулевым тепловым изменением длины их материалов, и провели моделирование, подтвердившее эффективность метода.
Гульнапа заливает жидкий азот в криостат, сопряженный с вакуумной камерой, в которой расположен высокостабильный опорный резонатор из монокристаллического кремния
Проблема передачи оптического сигнала частоты как по оптоволоконным, так и по открытым воздушным каналам — еще один аспект исследования. Ученые разработали системы для передачи оптического сигнала частоты, включая систему детектирования и активной компенсации фазовых шумов, вносимых каналом передачи. В результате ими создана, исследована и зарегистрирована в качестве полезной модели новая конфигурация интерферометра для системы компенсации фазовых шумов, позволяющая снизить вклад собственных шумов системы в нестабильность передаваемого сигнала.
“
Мы продемонстрировали передачу сигнала на длине волны 1550 нм по тестовой атмосферной линии 17 м с вносимой погрешностью, достигающей девятнадцатого знака. Прямо сейчас в ФИАН работает созданная нами сеть стабилизированных оптоволоконных каналов между тремя лабораториями, что позволяет характеризовать разрабатываемые лазерные системы и оптические стандарты частоты.
Авторы позаботились и о системе компенсации флуктуаций направления пучка, вызываемых турбулентными потоками в атмосфере, и о системе наведения на движущийся объект, провели испытания и отладку совместной работы всех разработанных ими систем.
Работа научного коллектива существенно расширяет возможности для совершенствования метрологических и эксплуатационных характеристик оптических стандартов частоты, а также для их применения в практических задачах и научных целях.
Исследование приближает новый уровень экспериментов по изучению микромира, открывает возможности для детектирования крайне слабых эффектов, таких как темная материя, гравитационные волны и др., позволяет повысить точность навигации, в т. ч. с использованием карт гравитационного потенциала Земли.
Исследование приближает новый уровень экспериментов по изучению микромира, открывает возможности для детектирования крайне слабых эффектов, таких как темная материя, гравитационные волны и др., позволяет повысить точность навигации, в т. ч. с использованием карт гравитационного потенциала Земли.