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 10-17, разработка транспортируемых компактных лазерных систем на основе ультрастабильных резонаторов с кратковременной нестабильностью частоты в 10-15, 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. Предложены новые радионуклиды 7Be и 22Na для нейтрон-захватной лучевой терапии опухолей. Изучены их преимущества и недостатки по сравнению с 10B. 2. Впервые в рамках теории функционала плотности исследован процесс проникновения атомов бора и бериллия внутрь фуллерена C60. Рассчитаны возможные траектории имплантируемых атомов B и Be и величины потенциальных барьеров. 3. Предложен новый подход к проблеме возбуждения аномально низко лежащего изомерного уровня в ядре 229Th, в котором система «электронная оболочка атома (иона) Th – ядро 229Th» рассматриваются как ядерная квантовая батарея. 4. Предложен ядерный источник света в диапазоне вакуумного ультрафиолета на основе ядра 229Th. 5. Разработан комплекс программ, который позволяет рассчитывать оптические поля в метаповерхностях различной геометрии, фотонных кристаллах, а также в присутствии оптических нано-антенн различных форм. С помощью созданного комплекса проведены расчеты, которые показали принципиальную возможность создания двухмерных решеток оптических ловушек с периодом меньше длины волны. 6. Найдены ловушечные конфигурации для молекул вблизи оптоволокна и вблизи сферической диэлектрической наночастицы. 7. Разработаны основы теории когерентной флюоресцентной спектроскопии (CFS) в наноразмерных отверстиях (Zero Mode Waveguide - ZMW) с учетом реалистичной формы и пассивации поверхности нано-отверстия. 8. Впервые найдено аналитическое решение уравнений Максвелла для пучка Бесселя, рассеянного сферой. 9. На основе разработанной концепции идеальных неизлучающих мод или мод невидимости найдены условия, при которых оптическое волокно практически не рассеивает падающее на него оптическое излучение. На основании этого эффекта предложен дизайн сенсора наносмещений и биосенсора высокой чувствительности. 10. Теоретически предсказан принципиально новый вид мод - неизлучающие моды - в частицах, изготовленных из метаматериалов с отрицательным показателем преломления, то есть в частицах, имеющих одновременно отрицательные диэлектрическую и магнитную проницаемости. 11. Оптимизирован алгоритм охлаждения всех радиальных мод многочастичных линейных ионных кристаллов до основного колебательного состояния методом возбуждения разрешенных боковых частот на квадрупольном электрическом переходе на длине волны 435.5 нм. Экспериментально продемонстрирована возможность охлаждения всех радиальных мод до остаточного среднего количества фононов менее 0.1. 12. Предложен оригинальный метод динамического непрерывного подавления декогеренции куквартов, закодированных в оптическом переходе в ионе 171Yb+. Продемонстрирована возможность достижения времени когерентности всех состояний кукварта более 9 мс. 13. Осуществлено измерение абсолютной частоты переходов 2D3/2(F=2) <=> 2F5/2 (F=3) и 2D3/2(F=1) <=> 2F5/2 (F=2), составившие 258036050 ± 50 МГц и 258032000 ± 250 МГц), что соответствует длине волны 1161.8 нм. 14. Предложена концепция квантового мемристора на одиночном ультрахолодном ионе и на цепочке связанных низкочастотной колебательной модой центра масс ультрахолодных ионах. 15. Разработана модель, описывающая изменение формы и появление новых резонансов в спектре ОДМР при взаимодействии NV-центров с изотопом углерода 13C. Предложена методика определения концентрации атомов углерода 13С в кристаллической решетке алмаза по анализу спектров ОДМР. 16. Показано, что времена T2n* и T2n дефазировки свободной прецессии ядерного спина не ограничены временем продольной релаксации проекции электронного спина T1e 17. Исследовано явление оптической бистабильности в компактном высокодобротном резонатора на длине волны 1550 нм. Определены чувствительность длины резонатора от интенсивности циркулирующего излучения и время теплового отклика. 18. Исследовано влияние тепловых эффектов на частоты собственных резонансов и температуру нулевого расширения интерферометра Фабри-Перо из стекла с ультранизким тепловым разрешением. 19. Разработан метод компенсации теплового расширения, позволяющий создавать оптические опорные резонаторы с нулевым тепловым изменением длины из материалов, не обладающих таким свойством. 20. Разработана и создана лазерная система для спектроскопии перехода 1S-2S в мюонии на длине волны 244 нм со сниженным эффектом деградации оптических элементов. Использование непрерывного лазера в режиме коротких импульсов, с постоянным поддержанием резонаторов удвоения и усиливающего резонатора в одной моде с лазерным излучением позволило увеличить продолжительность стабильной работы системы до недели. 21. Реализована третья стадия лазерного охлаждения атомов тулия на узком переходе 506 нм, в которой достигнуто снижение температуры до 400 нК без потерь в числе атомов. 22. Показано, что общие для двух оптических часов на атомах тулия флуктуации частоты и мощности часового лазера, схожего по спектру шумов с имеющимся в лаборатории, не будут оказывать влияния на измеряемую нестабильность разности частот двух систем. 23. Продемонстрировано, что типичные флуктуации магнитного поля в лаборатории не будут влиять на стабильность и точность при сличении двух тулиевых часов. 24. Проведено численное моделирование с использованием реальных условий эксперимента, которое показало, что относительная нестабильность частоты тулиевых часов в 10-17 достижима за время измерения менее 1000 с. За отчетный период подготовлено 21 публикация в высокорейтинговых рецензируемых журналах, индексируемых в системах WoS, Scopus или РИНЦ.