Высокочувствительная спектроскопия и манипулирование сложными квантовыми системами в задаче создания новых сенсоров, симуляторов и стандартов частоты (новая лаборатория Оптики сложных квантовых систем)

Цель проекта – создание транспортируемого стандарта частоты в оптическом диапазоне нового типа на основе атомов тулия, обеспечивающего долговременную нестабильность частоты на уровне 1е-17, разработка транспортируемых компактных лазерных систем на основе ультрастабильных резонаторов с кратковременной нестабильностью частоты в 1е-15, разработка методов точного определения смещения с разрешением лучше 20 мкм, разработка моделей и экспериментальные исследования механизмов захвата, лазерного охлаждения и подготовки квантовых состояний ионов, методов манипуляции ионными кубитами и кудитами, исследование и оптимизация квантовых алгоритмов, исследование свойств центров окраски в алмазе, создание сенсоров на базе центров окраски в алмазе, оптимизация работы алгоритмов для квантовых сенсоров вращения и магнитного поля, исследования на стыке низкоэнергетической ядерной физики, физики высокотемпературной плотной лазерной плазмы, квантовой оптики и метрологии для разработки нового стандарта времени и частоты на базе низкоэнергетического перехода VUV диапазона в ядре тория-229, изучение оптических свойств нанорезонаторов и других наноструктур для управления свойствами света на наномасштабах и, в частности, для создания оптических ловушек для атомов. Методология проведения работы – в рамках выполнения данной тематики Государственного задания проводились как экспериментальные, так и теоретические исследования. Результаты работы 1. Впервые рассчитана вероятность когерентного возбуждения аномально низколежащего изомерного состояния 3/2+ (8.338+/-0.024 эВ) в ядре 229Th резонансным лазерным излучением и изучены сопутствующие физические явления – «замерзание» ядра в основном состоянии (эффект Зенона) и осцилляции альфа-распада. 2. Впервые исследована химическая связь атома Th с рядом бор-нитридных наноматериалов – фуллеренами B30N30, B12N8, B8N12 и аналогом коронена B12N12H12. Предсказаны стабильные 20-атомные BN-фуллерены B12N8, B8N12. 3. Впервые рассчитаны химические состояния атома B и его положение внутри и снаружи фуллерена C60. Показана возможность наработки потенциально пригодного для целей ядерной медицины радиоактивного, но токсичного 7Be внутри фуллерена в реакции 10B(p,)7Be. 4. Предложено для возбуждения ловушечных конфигураций использовать стоячие оптические волны, пучности которых совпадают с положением отверстий, формирующих ловушечные конфигурации. Данный подход позволяет снизить интенсивность возбуждающего излучения в 2 раза. 5. Предложена концепция идеальных неизлучающих мод и найдены условия при которых оптическое волокно практически не рассеивает падающее на него оптическое излучение. 6. Осуществлена оптимизация последовательности лазерных импульсов, что позволило увеличить время когерентности до 5 мс, что достаточно для реализации большинства известных демонстрационных алгоритмов. 7. Разработана теоретическая модель процесса охлаждения иона 171Yb+ до основного состояния методом охлаждения на боковых частотах на квадрупольном переходе на длине волны 435.5 нм. Экспериментально осуществлено охлаждение аксиальной моды колебаний иона. 8. Предложен метод измерения температуры кристалла, основанный на регистрации дефазировки резонансных осцилляций Раби на несущей частоте узкого оптического перехода в ионе. 9. Исследованы влияния дозы облучения электронами на степень конверсии атомов азота в NV центры в монокристалле алмаза. Для высококонцентрированных алмазных пластин (концентрация азота 100 м.д.) получена конверсия атомов азота в NV центры на уровне 37% при дозе облучения 5×1018 см-2. Насыщение по конверсии атомов азота в NV центры не наблюдалось. 10. С использованием методики двойного электрон-электронного резонанса между NV центрами и C-центрами в алмазе проведено измерений концентрации C-центров по изменению сигнала затухания спинового эха NV центров. Найдено оптимальное время π-импульса для получения максимального контраста сигнала от C-центров, которое составило 0.35T2, где T2 – время когерентности NV центров окраски. 11. Разработан оригинальный двухчастотный резонатор для возбуждения сверхтонких переходов в NV центре окраски в алмазе. 12. Впервые реализован протокол измерения состояния ядерного спина NV центра, исключающий температурную зависимость сверхтонких переходов спина ядра азота в NV центре окраски в алмазе. 13. Продемонстрирована стабилизация частоты часового лазера с использованием фемтосекундной гребенки частот. 14. Оптические часы на атомах тулия были подготовлены к абсолютному измерению частоты путем сличения с одиночным ионом иттербия или калиброванным водородным мазером. 15. Создана компактная вакуумная система для оптических часов на атомах тулия. В ней было выполнено лазерное охлаждение атомов тулия, захват в оптическую решетку, оптическая накачка и спектроскопия двух часовых переходов. 16. Проведен анализ влияния излучения оптической решетки на сдвиг частоты часового перехода. Показано, что при работе с атомами, находящимися в близком к основному колебательному состоянию, этот сдвиг находится на уровне 10-17. 17. Создан лабораторный макет гетеродинного интерферометра, позволяющий регистрировать линейные смещения в пределах 17,1 мкм, что по порядку величины соответствует диапазону измерений реальных смещений в паре КА GRACE FO. 18. Проведено численное моделирование зависимости амплитудного коэффициента отражения интерференционных зеркал от числа отражающих слоев. Разработаны дизайны высокоотражающих покрытий для зеркал опорного ультрастабильного резонатора на длине волны 1550 нм, обеспечивающие резкость 300 000. 19. Созданы высокодобротные зеркала, на их основе изготовлены монолитные резонаторы Фабри-Перо. Исследованы их основные характеристики: темпы затухания амплитуды поля световой волны в резонаторе, резонансное пропускание, оценена величина потерь излучения из резонатора по каналу поглощения и рассеяния За отчетный период подготовлено 14 публикаций в высокорейтинговых рецензируемых журналах индексируемых в системах WoS, Scopus или РИНЦ.