ایستایی یون به منظور وضوح عکس گذار اپتیکی آن

تك اتم مجزا و بی‌حركت ساعت بسیار خوبی است. می‌تواند علائمی تابش كند كه در آن‌ها از جابه‌جایی دوپلری و اغتشاش‌های ناشی از برهم‌كنش با محیط اثری نیست. چنین فكری انگیزه اصلی بیشتر كارهای مربوط به تله‌های یونی بوده است. این پژوهش‌ها اكنون به بار نشسته است. گروهی از مؤسسه ملی استانداردها و تكنولوژی (NIST) واقع در بولدر بسامد یك گذار فرابنفش را در یك اتم جیوه اندازه گرفته‌اند كه پهنای خطش كمتر از Hz180 است. گزارش این كار در نهمین كنفرانس بین‌المللی طیف سنجی لیزری (كه در ژوئن گذشته در برتون وودز، نیوهمپشیر برگزار شد) توسط جیمز بركویست، فرانك، دیتریچ، وین ایتانو، و دیوید واین‌لند ارائه شد. قبل از این كار برجسته، كمترین پهنای بسامد اپتیكی اندازه‌گیری شده، از مرتبه چند كیلو هرتز بود.
پژوهشگران NIST گزارش كرده‌اند كه حد تفكیك فقط به میزان پایداری لیزری است كه گذار را باعث می‌شود. آن‌ها امیدوارند با پایدارتر كردن لیزر، حد تفكیك را تا 100 برابر بیشتر كنند.
پهنای خطی كه گروه NIST اندازه گرفته‌اند با توان تفكیك 1013×2 متناظر است. و این‌لند متذكر می‌شود كه توان تفكیك بهتر از این در طیف سنجی موسباؤری به دست آمده است، ولی با طیف سنجی تك یونی می‌توان مركز تشدید را دقیق‌تر تعیین كرد.
وارن ناگورنی، نان‌یو، و هانس دملت از دانشگاه واشنگتن، گذار فروسرخی در μm 762ر1 در تك یون باریم، منتها با تفكیك كمتر، مشاهده كرده‌اند. گروهی نیز به سرپرستی پیتر توشك از دانشگاه هایدلبرگ در سال 1981 موفق به مشاهده طیف تك ذره شده‌ بودند. توشك و همكارانش به این كار روی یون‌های به تله افتاده در دانشگاه هامبورگ ادامه می‌دهند.

بی حركت نگه داشتن یون

برای تقریباً به حال سكون درآوردن یون +(Hg19) بركویست و همكاران از تكنیك‌هایی استفاده كرده‌اند كه طی سال‌ها كار مداوم، برای تله اندازی و سردسازی یون‌ها تكامل یافته است. آن‌ها یون را در یك تله مینیاتوری پاول، به ابعاد چند صد میكرون، قرار می‌دهند كه آرایش خاص الكترودهای تله آن، چاه پتانسیل هماهنگی را ایجاد می‌كند كه یون در آن به نوسان در می‌آید. بعد با استفاده از سردسازی لیزری – تكنیكی كه دملت و واین‌لند، و مستقل از اینان تئودور هانش (دانشگاه مونیخ) و آرتور شالو (دانشگاه استانفورد) ابداع كرده‌اند – حركت یون را كند می‌كنند. در این تكنیك دو باریكه لیزری عمود بر هم بر یون می‌تابد، باریكه‌ها با بسامدی كوك شده‌اند كه اندكی كمتر از بسامد گذار یكی از حالت‌های برانگیخته الكترونی است. یون فقط موقعی تابش جذب می‌كند كه به طرف باریكه لیزر حركت كند (به سبب اثر دوپلر) بنابراین حركتش در این راستا كند می‌شود تا اندازه حركت پایسته بماند. اما چون یون به طور متقارن تابش می‌كند، در فرایند گسیل هم به طور متوسط اندازه حركتی كسب نمی‌كند.
پس از این كه اتم به تله افتاد و سرد شد، مسئله مهم آشكارسازی تنها فوتونی است كه تك یون تابش می‌كند، كه باید به نحوی مؤثر و كارآمد انجام بگیرد. عمر حالت نیمه‌پایدار مربوط به nm282 كه پژوهشگران NIST می‌خواستند آن را برانگیزند در حدود s1ر0 است. بنابراین مشاهده گسیل تك فوتونی كه در این مدت گسیل می‌شود عملاً غیر ممكن است. بركویست و همكارانش، به جای مشاهده مستقیم این گذار nm194 همین یون استفاده كردند كه میزان تلألو (فلوئورسانی) آن زیاد است. در این روش كه دملت آن را در 1975 پیشنهاد كرده بود، وجود یا عدم تلألو در nm194، دلالت بر آن دارد كه نور خاصی به طول موج حدود nm282 یون را به حالت نیمه‌پایدار مورد نظر برانگیخته است یا نه. ابتدا یون تحت تابش 194 نانومتری لیزرهای سردكننده قرار می‌گیرد و از حالت 2/1S2s106d5 به حالت 2/1P2p106d5 می‌رود. یون با جذب و گسیل این تابش به میزان زیاد تلألو می‌كند. در این هنگام لیزرهای سردكننده را خاموش می‌كنند و لیزر دیگری را، كه بر طول موجی در حدود nm282 كوك شده است، روشن می‌كنند تا جهش‌های میان حالت 2/1S2 و حالت نیمه‌پایدار 2/ 5 D2 برانگیخته شود. (تابش nm282 با دوبرابر كردن بسامد لیزر رزینه‌ای حلقه‌ای نوار باریك پیوسته كه در nm563 كار می‌كند به دست می‌آیند).
پس از ms5، لیزر nm282 خاموش و لیزرهای nm194 كه مراقب‌های حالت‌اند، روشن می‌شوند. اگر یون به حالت 2/ 5D2 برانگیخته شده باشد، از خود تلألو نشان نمی‌دهد، در غیر این صورت تلألو می‌كند.
با استفاده از این روش، پژوهشگران NIST بسامد (دو برابر شده) لیزر برانگیزنده را، در سرتاسر ناحیه‌ای كه انتظار گذار داشتند، پنجاه‌هرتز پنجاه‌هرتز تغییر دادند و وقوع یا عدم وقوع تلألو (فلوئورسانی) را ثبت كردند. در هر بسامدی، مقدار متوسط تمام اندازه‌گیری‌ها حساب شد. لیزر برانگیزنده ب كمك كاواك مرجعی كه از نظر مكانیكی، صوتی، و گرمایی آرام بود، به طور الكترونیكی پایدار شده بود. در حال حاضر، افت و خیزهای بسامد لیزر، كه ناشی از ناپایداری‌های این كاواك‌اند، توان تفكیك را محدود می‌كنند. پهنای خط حالت اتمی Hz7ر1 است. بركویست و همكارانش امیدوارند كه بتوانند خط nm588 لیزر را از نظر طیفی در حدی كمتر از Hz1 باریك كنند.
برای انجام این كار لازم است كه دامنه حركت نسبی آینه‌های كاواك به كمتر از قطر یك هسته رسانده شود.
استانداردهای ساعت
آزمایش گروه NIST بخشی از پژوهشی است كه هدفش دقیق‌تر و پایدارتر كردن استانداردهای اتمی است. به گفته بركویست حصول یك استاندارد اپتیكی به عنوان مبنای ساعت اتمی، سخت مورد توجه است. یكی از دلایل این توجه حصول به تفكیك زیاد است: چون عدم قطعیت در اندازه‌گیری بسامد را عمر گذار اتمی مشخص می‌كند، هرچه بسامد بزرگتر باشد نسبت بسامد به عدم قطعیت (مقدار Q) بزرگتر می‌شود. بزرگترین مشكلی كه در راه انتخاب بسامد اپتیكی به عنوان یك ساعت وجود دارد پیداكردن روش بسیار سریعی برای شمارش سیكل‌های تابش اپتیكی است.
تك یون به تله افتاده زمینه‌های بسیار جالبی هم برای پژوهش فراهم آورده است. محققان NIST قبلاً یون جیوه را تا حد انرژی نقطه صفر، در حركت با دو درجه آزادی، سرد كرده‌اند. برای این كار ابتدا با تابش nm194 دمای یون را به چند هزارم كلوین كاهش می‌دهند. بعد با استفاده از گذار سرد كننده‌ای كه در آن نوارهای اپتیكی جانبی به طور كامل تفكیك می‌شوند، به سرد كردن یون ادامه می‌دهند تا جایی كه لیزر بتواند بر پایین‌ترین نوار جانبی ارتعاشی كوك شود.
یون، فوتون‌های با این بسامد را جذب می‌كند ولی، به طور متوسط بسامد فوتون‌هایی كه مجدداً گسیل می‌كند بیشتر و برابر بسامد حامل است. در هر سیكل جذب و گسیل، از انرژی ارتعاشی یون به اندازه یك كوانتوم انرژی كم می‌شود.
وقتی حركت یون به حركت نقطه صفر محدود شد، سیستم كوانتومی تله – یون امكان بررسی‌های جالب توجهی را به وجود می‌آورد. مثلاً، یون را می‌توان در یك كاواك اپتیكی محصور كرد و برهم‌كنش میان یك یون و یك مد اپتیكی منفرد را بررسی كرد. همچنین می‌توان موجد حالت‌های چلانده حركت اتمی شد، كه در آن عدم قطعیت در یكی از متغیرهای مكان یا اندازه حركت به نسبت زیادی كم، و عدم قطعیت در متغیر دیگر به همان نسبت، و سازگار با اصل عدم قطعیت زیاد شده است. یكی از راه‌های انجام این كار در تله – یونی این است كه یك چاه پتانسیل خیلی عمیق و باریك را به سرعت به چاهی كم عمق و پهن تبدیل كنیم. به محض اینكه یونی كه مكان آن در چاه عمیق كاملاً مشخص است به چاه كم عمق انداخته شود، عدم قطعیت در مكان آن روبه افزایش می‌گذارد. وقتی یون در چاه پهن به نوسان در می‌آید، عدم قطعیت مكان آن متناوباً باریك و پهن می‌شود در حالی كه تغییرات عدم قطعیت اندازه حركت عكس آن است.