recenzja - Fizyka UMK

Prof. dr hab. Marek Trippenbach
ul. Pasteura 5, 02-093 Warszawa,
tel.: (22) 55 32 518
email: [email protected]
Warszawa, 15 styczeń 2016.
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 5S1/2-7S1/2 (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 5S1/2-7S1/2.
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
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.
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,
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 5S1/2-7S1/2 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 1S0-3P0 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 7 · 10−17.
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 1S0-3P0.
W eksperymencie wyznaczono charakterystyki przesunięcia częstotliwości przejścia
1
S0−3P0 w wyniku oddziaływania atomów z otoczeniem. Wykorzystując grzebień częstości
optycznych stabilizowany do wzorca częstotliwości Obserwatorium Astro-geodynamicznego
w Borowcu dokonano pomiaru częstotliwości absolutnej przejścia 1S0−3P0 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.
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
Sr. Pan magister Piotr Morzyński był autorem oryginalnego oprogramowania
88
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.”
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 1S0-3P0 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