Теодор Вульфганг Хэнш: Нобель сыйлықты иеленген физик

Кіріспе

Неміс физигі және Нобель сыйлығының лауреаты

Теодор Вольфганг Ханш (30 қазан 1941 жылы туған) – неміс физигі. Ол 2005 жылғы физика саласындағы Нобель сыйлығының үштен бір бөлігін "лазерге негізделген дәл спектроскопияны, соның ішінде оптикалық жиілік гребі техникасын дамытуға қосқан үлесі" үшін алды, бұл сыйлықты Джон Л. Холл және Рой Дж. Глаубермен бөлісті. Ханш Макс Планк квант оптикасы институтының директоры және Германияның Бавария штатындағы Мюнхен қаласындағы Людвиг Максимилиан университетінің эксперименталды физика және лазерлік спектроскопия профессоры.

Өмірбаян

Hänsch орта білімін Хельмольц гимназиясында алған және 1960-шы жылдары Ruprecht Karls Universität Heidelberg-тен дипломдық және докторлық дәрежесін алған. Кейін 1970-1972 жылдары Стэнфорд университетінде Артур Л. Шаулоумен бірге НАТО-ның докторантурадан кейінгі тағылымдамасын өтті. 1975-1986 жылдары Калифорниядағы Стэнфорд университетінде ассистент-профессор болды. 1983 жылы Ұлттық ғылым академиясының физика саласындағы Комсток сыйлығымен марапатталды. 1986 жылы Франклин институтының Альберт А. Микельсон медалін алды. Сол жылы Ханш Германияға оралып, Макс Планк кванттық оптика институтын басқарды. 1989 жылы ол неміс ғылымындағы ең жоғары награда – Готфрид Вильгельм Лейбниц сыйлығын иеленді. 2005 жылы Франкфурт-на-Майне қаласының Отто Хан сыйлығымен, сондай-ақ Неміс химиктерінің қоғамы мен Неміс физика қоғамының наградаларымен марапатталды. Сол жылы Америка Оптикалық қоғамы оған Фредерик Айвс медалін және 2008 жылы құрметті мүше мәртебесін берді. Оның шәкірттерінің бірі Карл Виман 2001 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. 1970 жылы ол өте жоғары спектрлік ажыратымдылығы бар жарық импульстарын тудыратын лазердің жаңа түрін ойлап тапты (яғни лазерден шыққан барлық фотондар дерлік бірдей энергияға ие болды, бұл миллионнан бір бөлігінің дәлдігімен). Осы құрылғыны пайдаланып, ол атомдық сутегінің Балмер сызығының өту жиілігін бұрынғыдан әлдеқайда жоғары дәлдікпен өлшеуге қол жеткізді. 1990-шы жылдардың соңында ол және оның әріптестері лазерлік жарықтың жиілігін одан да жоғары дәлдікпен өлшеуге арналған жаңа әдіс әзірледі, ол оптикалық жиілік гребіне генераторы деп аталатын құрылғыны қолданды. Бұл өнертабыс атомдық сутегінің Лайман сызығын өлшеу үшін пайдаланылды, бұл бір жүз триллионнан бір бөлігінің ерекше дәлдігімен мүмкін болды. Мұндай жоғары дәлдік ғаламның негізгі физикалық тұрақтыларының уақыт өте келе өзгеру мүмкіндігін іздеуге мүмкіндік берді. Осы жетістіктері үшін ол 2005 жылғы физика саласындағы Нобель сыйлығының иегері атанды.

Hänsch received his secondary education at Helmholtz Gymnasium Heidelberg and gained his Diplom and doctoral degree from Ruprecht Karls Universität Heidelberg in the 1960s. Subsequently, he was a NATO postdoctoral fellow at Stanford University with Arthur L. Schawlow from 1970 to 1972. Hänsch became an assistant professor at Stanford University, California from 1975 to 1986. He was awarded the Comstock Prize in Physics from the National Academy of Sciences in 1983. In 1986, he received the Albert A. Michelson Medal from the Franklin Institute. In the same year Hänsch returned to Germany to head the Max Planck Institut für Quantenoptik. In 1989, he received the Gottfried Wilhelm Leibniz Prize of the Deutsche Forschungsgemeinschaft, which is the highest honour awarded in German research. In 2005, he also received the Otto Hahn Award of the City of Frankfurt am Main, the Society of German Chemists and the German Physical Society. In that same year, the Optical Society of America awarded him the Frederic Ives Medal and the status of honorary member in 2008. One of his students, Carl E. Wieman, received the Nobel Prize in Physics in 2001. In 1970 he invented a new type of laser that generated light pulses with an extremely high spectral resolution (i. e. all the photons emitted from the laser had nearly the same energy, to a precision of 1 part in a million). Using this device he succeeded to measure the transition frequency of the Balmer line of atomic hydrogen with a much higher precision than before. During the late 1990s, he and his coworkers developed a new method to measure the frequency of laser light to an even higher precision, using a device called the optical frequency comb generator. This invention was then used to measure the Lyman line of atomic hydrogen to an extraordinary precision of 1 part in a hundred trillion. At such a high precision, it became possible to search for possible changes in the fundamental physical constants of the universe over time. For these achievements he became co recipient of the Nobel Prize in Physics for 2005.

Нобель сыйлығының тарихы

Нобель сыйлығы профессор Ханшқа 1990 жылдардың соңында Германияның Мюнхен қаласына жақын Гархингте орналасқан Макс Планк институтындағы жұмысы үшін берілді. Ол алғаш рет секундқа жарық тербелістерінің санын ең жоғары дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік беретін оптикалық "жиілік тарақ синтезаторын" (frequency comb synthesizer) жасады. Бұл оптикалық жиілік өлшеулері жарық толқынының ұзындығын бұрынғы спектроскопиялық әдістермен анықтаудан миллиондаған есе дәл болуы мүмкін. Гархингтегі жұмыс сутек атомының өте дәл лазерлік спектроскопиясы бойынша жүргізілген тәжірибелермен шақырылды. Бұл атомның құрылымы ерекше қарапайым. Оның спектрлік сызығын дәл анықтау арқылы ғалымдар негізгі физикалық тұрақтыларымыздың қаншалықты дұрыс екендігі туралы қорытынды жасауға мүмкіндік алды – мысалы, олар уақыт өте келе баяу өзгерсе. 1980 жылдардың соңында сутек атомының лазерлік спектроскопиясы оптикалық толқындар ұзындығының интерферометриялық өлшеулерімен мүмкін болатын ең жоғары дәлдікке жетті. Макс Планк кванттық оптика институтының зерттеушілері жаңа әдістерді қарастырып, оптикалық жиілік тарақ синтезаторын жасады. Оның атауы бастапқыда бір түсті, өте қысқа жарық импульстерінен жарық спектрін жасауынан туындаған. Бұл спектр тұрақты жиілік интервалы бар жүздеген мыңдаған өткір спектрлік сызықтардан тұрады. Мұндай жиілік тарағы – өлшеу құралына ұқсас. Кез келген сәулеленудің жиілігін анықтағанда, оны өте нақты тарақ спектрлік сызықтарымен салыстырып, "сәйкес" сызық табылғанша іздейді. 1998 жылы профессор Ханш осы "өлшеу құрылғысын" жасағаны үшін Филип Моррис зерттеу сыйлығын алды. Бұл жаңа жарық көзінің алғашқы қолданылуларының бірі – өте тар ультракөк сәулелі сутек атомының 1S 2S екі фотондық өтуінің жиілігін анықтау болды. Содан бері жиілік ондық бөлшектен кейін 15 таңбаға дейін дәл анықталды. Жиілік тарағы қазір әлемдегі көптеген зертханаларда оптикалық жиілікті өлшеудің негізгі құралы болып табылады. 2002 жылдан бері Menlo Systems компаниясы, құрылуына Гархингтегі Макс Планк институтының үлкен үлесі болған, бүкіл әлемдегі зертханаларға коммерциялық жиілік тарақ синтезаторларын жеткізіп келеді.

The Nobel Prize was awarded to Professor Hänsch in recognition for work that he did at the end of the 1990s at the Max Planck Institute in Garching, near Munich, Germany. He developed an optical "frequency comb synthesiser", which makes it possible, for the first time, to measure with extreme precision the number of light oscillations per second. These optical frequency measurements can be millions of times more precise than previous spectroscopic determinations of the wavelength of light. The work in Garching was motivated by experiments on the very precise laser spectroscopy of the hydrogen atom. This atom has a particularly simple structure. By precisely determining its spectral line, scientists were able to draw conclusions about how valid our fundamental physical constants are – if, for example, they change slowly with time. By the end of the 1980s, the laser spectroscopy of hydrogen had reached the maximum precision allowed by interferometric measurements of optical wavelengths. The researchers at the Max Planck Institute of Quantum Optics thus speculated about new methods, and developed the optical frequency comb synthesizer. Its name comes from the fact that it generates a light spectrum out of what are originally single colour, ultrashort pulses of light. This spectrum is made of hundreds of thousands of sharp spectral lines with a constant frequency interval. Such a frequency comb is similar to a ruler. When the frequency of a particular radiation is determined, it can be compared to the extremely acute comb spectral lines, until one is found that "fits". In 1998, Professor Hänsch received a Philip Morris Research Prize for the development of this "measurement device". One of the first applications of this new kind of light source was to determine the frequency of the very narrow ultraviolet hydrogen 1S 2S two photon transition. Since then, the frequency has been determined with a precision of 15 decimal places. The frequency comb now serves as the basis for optical frequency measurements in large numbers of laboratories worldwide. Since 2002, the company Menlo Systems, in whose foundation the Max Planck Institute in Garching played a role, has been delivering commercial frequency comb synthesizers to laboratories all over the world.

Лазерді дамыту

Ханш торлы лазерлік осцилляторларға көлденең телескопиялық сәуле кеңейтуді енгізді, осылайша алғашқы тар сызық енімен реттелетін лазерді жасады. Бұл жетістік, тар сызық енімен жұмыс істейтін көп призмалық торлы лазерлік осцилляторлардың дамуына зор ықпал етті деп есептеледі. Кезекпен, торды толық жарықтандыру арқылы жұмыс істейтін, реттелетін тар сызық енімен органикалық және қатты күйдегі лазерлер лазерлік спектроскопияда маңызды рөл атқарды.