Recenzja rozprawy doktorskiej mgr Piotra Morzyńskiego zatytułowanej Optyczne wzorce metrologii kwantowej

Transkrypt

1 Prof. dr hab. Marek Trippenbach ul. Pasteura 5, Warszawa, tel.: (22) Warszawa, 15 styczeń Recenzja rozprawy doktorskiej mgr Piotra Morzyńskiego zatytułowanej Optyczne wzorce metrologii kwantowej Przedmiotem rozprawy doktorskiej pana magistra Piotra Morzyńskiego zatytułowanej Optyczne wzorce metrologii kwantowej jest budowa i badanie atomowych wzorców częstości. W Krajowym Laboratorium FAMO w Toruniu zbudowano trzy atomowe wzorce częstotliwości, w tym: dwa zegary optyczne z atomami strontu uwiezionymi w sieci optycznej oraz wzorzec wykorzystujący przejście dwufotonowe atomów rubidu. Następnie zmierzono częstotliwość absolutną przejścia dwufotonowego 5S 1/2-7S 1/2 (760 nm) z dokładnością do pojedynczych khz dla różnych izotopów oraz różnych poziomów struktury nadsubtelnej i obliczono stałe struktury nadsubtelnej oraz przesuniecie izotopowe dla przejścia dwufotonowego 5S 1/2-7S 1/2. Rezultaty badań zostały zawarte w kilku publikacjach, z których jedna ukazała się w Optics Letters, jedna w Measurement Science and Technology, i po jednej w Bulletin of the Polish Academy of Sciences oraz Journal od Physisc Conference Series. Nie wątpię, że lista publikacji na temat niniejszych badań nie jest jeszcze zamknięta, i kolejne prace ukażą się w najlepszych czasopismach naukowych prezentujących wyniki z dziedziny metrologii i spektroskopii. Praca została napisana pod opieką profesora Roman Ciuryło (dr. Michał Zawada był promotorem pomocniczym) na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej

2 Uniwersytetu im. Mikołaja Kopernika w Toruniu ramach Programu TEAM (koordynowanego przez Fundacje na rzecz Nauki Polskiej) oraz w ramach projektu Budowa Polskiego Optycznego Zegara Atomowego (POZA) (finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego). Projekt POZA, oprócz osiągnięcia wartości ściśle naukowych i technicznych, stał się również ważnym czynnikiem integracji polskiego środowiska naukowego zajmującego się fizyką atomową i optyką. Jego realizacja stała się możliwa wyłącznie dzięki połączeniu kompetencji zespołów naukowych z 3 uniwersytetów polskich. Co więcej, synergia towarzysząca tym działaniom umożliwiła osiągnięcie rezultatu znacznie bardziej wartościowego niż byłoby to możliwe gdyby poszczególne zespoły pracowały osobno. Praca składa się z pięciu rozdziałów, podsumowania i kilku Dodatków oraz Bibliografii. Temat całej pracy jest bardzo aktualny, a praca zawiera nowe, oryginalne wyniki stanowiące ciekawy wkład do rozwoju interesującej i obecnie intensywnie rozwijającej się dziedziny, jaką jest ultra-precyzyjna metrologia, ale także fizyka zimnych atomów i spektroskopia. Przystąpię teraz do szczegółowego omówienia zasadniczych części rozprawy. Rozdział pierwszy stanowi ogólne wprowadzenie do tematyki metrologii, w tym metrologii kwantowej. Autor omawia rolę wzorców, od tych tradycyjnych jak wzorzec metra, po ostatnio wprowadzane wzorce kwantowe. Zagadnienia wzorców i metrologii zyskały ostatnio nową perspektywę w świetle osiągnięć mechaniki kwantowej i rozwoju bardzo precyzyjnych pomiarów. Chyba najbardziej precyzyjnie mierzoną wielkością jest czas i to właśnie dzięki optycznym wzorcom częstości. Od 1967 roku nie używamy już wzorca metra, bo tę jednostkę można uznać za pochodną jednostki czasu jeśli uwzględnimy stałą prędkość rozchodzenia się światła w próżni. Właśnie wzorce częstości są głównym tematem pracy pana Morzyńskiego. Dlatego w pierwszym rozdziale poświęca sporo uwagi optycznym wzorcom częstotliwości oraz zagadnieniu stabilności. Rozdział pierwszy kończy ogólny zarys pracy i opis wkładu w badania autora rozprawy.

3 Rozdział drugi jest poświęcony oddziaływaniu atomów z falą elektromagnetyczną i różnym mechanizmom poszerzenia linii widmowych. Ma to znacznie w kontekście prezentowanych w dalszej części wyników dotyczących spektroskopii przejścia zegarowego. W bardzo skrótowy sposób zaprezentowane zostały podstawowe efekty, jak poszerzenie Dopplera, zderzeniowe, nasyceniowe, oraz efekty wywołane polami elektrycznym i magnetycznym. Na końcu omówiono strukturę strontu i rubidu; oba te pierwiastki są najczęściej używane w zegarach optycznych. W mojej opinii ten rozdział został napisany trochę zbyt skrótowo, ale odniosłem wrażenie, że w całej pracy autor czuje się lepiej w opisach elementów doświadczalnych, niż w opisie zagadnień teoretycznych, a przynajmniej tak rozkłada akcenty w swojej pracy. Rozdział trzeci omawia techniki doświadczalne pozwalające ograniczyć poszerzenie linii widmowych w układach stosowanych do precyzyjnego pomiaru częstości. Po kolej omawiane są: obniżanie temperatury, spektroskopia dwufotonowa, reżim Lamba Dickiego, sieci optyczne. Następnie dyskutowane są techniki pozwalające na stabilizację częstości źródła laserowego: wnęki optyczne, stabilizacje przy użyciu kontrolera cyfrowego oraz efekt Dicka. Na koniec tego rozdziału wspomniany jest grzebień optyczny. Ten rozdział, pomimo że jest jednym z rozdziałów wstępnych jest moim zdaniem potraktowany zbyt skrótowo. Naprawdę nie miałem szans zrozumieć na czym polega metoda Poundera Drevera Halla, pojawiają się takie terminy jak temperatura w kierunku podłużnym (strona 41), na stronie 38 pojawia się symbol P(n) bez wytłumaczenia, nie rozumiem roli parametru zdefiniowanego w równaniu 3.8, niezbyt jasna wydaje mi się cała dyskusje reżimu Lamba Dickiego, i w dodatku autor często nazywa układ systemem. Ostatnie dwa rozdziały stanowią centralną część pracy. Rozdział 4 dotyczy dwufotonowego przejścia 5S-7S w izotopach 85 Rb i 87 Rb rubidu. Jak pisze autor był to pierwszy z eksperymentów i przy jego okazji przetestowane zostały procedury i rozwiązania wykorzystywane w optycznych zegarach atomowych, takie jak stabilizacja cyfrowa,

4 absolutny pomiar częstotliwości względem wzorca mikrofalowego z wykorzystaniem grzebienia częstotliwości optycznych. Na początku został opisany układ doświadczalny a następnie wyniki pomiarów, w których zmierzono częstotliwość absolutną przejścia dwufotonowego 5 S 1/2-7 S 1/2 z dokładnością na poziomie khz dla różnych izotopów oraz różnych poziomów struktury nadsubtelnej. Na podstawie otrzymanych wyników wyliczono stałe A struktury nadsubtelnej oraz przesuniecie izotopowe dla tego przejścia dwufotonowego Są to obecnie najprecyzyjniejsze na świecie wyniki. Opracowano również nowa technikę pomiaru kształtu linii. Rozdział 5 został zatytułowany Zegarowe przejście 1 S 0-3 P 0 w 88 Sr i opowiada (według oryginalnych słów autora) o tym jak po raz pierwszy w Polsce zademonstrowano spektroskopie o hercowej rozdzielczości. Poprzez porównanie dwóch optycznych wzorców (zegarów strontowych) udało się uzyskać dokładność pomiaru linii widmowej na poziomie około Autor szczegółowo opisuje układ doświadczalny, począwszy od układu próżniowego, układu chłodzącego atomy, sieć optyczną, ultra-stabilne lasery aż po grzebień i wnęki optyczne. Następnie opisuje szczegóły samego pomiaru częstości przejścia 1 S 0-3 P 0. W eksperymencie wyznaczono charakterystyki przesunięcia częstotliwości przejścia 1 S 0 3 P 0 w wyniku oddziaływania atomów z otoczeniem. Wykorzystując grzebień częstości optycznych stabilizowany do wzorca częstotliwości Obserwatorium Astro-geodynamicznego w Borowcu dokonano pomiaru częstotliwości absolutnej przejścia 1 S 0 3 P 0 w obu układach z niepewnością na poziomie Herza. Wynik ten stanowi pierwsze niezależne potwierdzenie wyniku o podobnej dokładności uzyskanego przez grupę prof. Katoriego [114] i jednocześnie jest najdokładniejszym na świecie wynikiem pomiaru bezpośredniego tej wielkości.

5 W podsumowaniu stwierdzam, że praca zawiera bardzo ciekawe wyniki związane z budową, badaniem i eksploatacją pierwszych polskich zegarów atomowych. Autor, jak wynika z lektury niniejszej dysertacji, miał duży wkład w planowaniu i wykonaniu eksperymentów. Brał udział w większości prac związanych z budową wzorców optycznych. Wynikiem jego prac było powstanie najważniejszych elementów wzorca atomowego w tym między innymi pułapki magneto-optycznej, sieci optycznej oraz układu do przeprowadzenia spektroskopii przejścia zegarowego. Uczestniczył w budowie układów próżniowych i elektrycznych, w tym między innymi fotodetektorów, filtrów, układów przełączających i układy zabezpieczających. Zaprojektował i wykonał układy energoelektroniczne do kontroli prądu w cewkach Helmholtza wytwarzających pola magnetyczne. Do jego zadań należało zapewnienie stabilizacji termicznej ultra-stabilnej wnęki lasera 689 nm oraz zbudowanie systemu stabilizacji częstotliwości tego lasera do przejścia interkombinacyjnego w strumieniu atomów 88 Sr. Pan magister Piotr Morzyński był autorem oryginalnego oprogramowania komputerowego służącego do obsługi eksperymentów oraz zbierania i obróbki danych. Bez wątpienia autor był członkiem dużego zespołu badawczego, był odpowiedzialny ze pewne określone zadania, ale przy tak nowatorskich i złożonych technologicznie eksperymentach to jest nieuniknione. Z pracy tego zespołu powstało już kilka prac doktorskich dotyczących różnych elementów eksperymentu i z pewnością powstanie jeszcze kilka innych, ale stwierdzam, że wkład magistra Morzyńskiego zasługuje na przyznanie mu doktoratu. Sama rozprawa jest zrozumiała, napisana bardzo przejrzyście i z dbałością o szczegóły, zwłaszcza doświadczalne. Pracę czyta się dobrze, choć spora doza żargonu doświadczalnego jest dla czytelnika-teoretyka pewnym wyzwaniem. Ale nawet na teoretyku robią wrażenie zdania takie jak pierwszy raz w Polsce zademonstrowano spektroskopie o hercowej rozdzielczości lub wynik ten stanowi pierwsze niezalezne potwierdzenie wyniku o podobnej dokładności uzyskanego przez grupę prof. Katoriego [114] i jednocześnie jest najdokładniejszym na świecie wynikiem pomiaru bezpośredniego tej wielkości.

6 Uwzględniając powyższe stwierdzam, że rozprawa pana mgra Piotra Morzyńskiego spełnia wymogi stawiane pracom doktorskim z dziedziny fizyki. Wnoszę o dopuszczenie kandydata do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Dodatkowo wnoszę o wyróżnienie rozprawy pana mgra Piotra Morzyńskiego. Uzasadnienie: Autor rozprawy zaprezentował wyniki badań o najwyższym światowym poziomie: udało się zmierzyć parametry linii zegarowej 1 S 0-3 P 0 z najlepszą na świecie precyzją. Autor rozprawy był twórcą lub współtwórcą wielu nowatorskich rozwiązań w technikach pomiarowych, które sprawiły, że eksperymenty z jego udziałem w Krajowym Laboratorium FAMO stały się jednymi z najbardziej zaawansowanych technik badawczych na świecie. Marek Trippenbach