الساعة الذرية الضوئية المحمولة تظهر لأول مرة تجاريًا - عالم الفيزياء

تعتبر الذرات هي أكثر أجهزة ضبط الوقت دقة في العالم - لدرجة أن الثانية تُعرَّف بأنها بالضبط 9 دقّة لساعة ذرية قائمة على السيزيوم. تدعم الإصدارات المتاحة تجاريًا من هذه الساعات الدقيقة ذريًا نظام تحديد المواقع (GPS)، والملاحة، ونقل البيانات، والأسواق المالية، وتعمل بترددات الموجات الدقيقة، أو مليارات نقرات التجزئة في الثانية. وبعد يوم واحد، ينتهي ضبط الوقت بأقل من عشرة نانو ثانية.

وعلى الرغم من جودة هذا، فإن الجيل القادم من الساعات الذرية أكثر دقة. تعمل هذه الإنشاءات المعملية بترددات بصرية، مما يعني أنها تدق عشرات التريليونات من المرات في الثانية. أفضلها يمكن أن يظل دقيقًا حتى 10 فيمتوثانية (10^-15 ق) بعد يوم، أو خلال ثانية بعد 50 مليار سنة. وقريبًا، ولأول مرة، ستتمكن من شراء واحدة خاصة بك: قامت شركة Vector Atomic، وهي شركة ناشئة مقرها في كاليفورنيا بالولايات المتحدة، بوضع أول ساعة بصرية محمولة في السوق.

يقول: "الساعات الوحيدة التي يمكنك شراؤها اليوم هي ساعات الميكروويف". جوناثان هوفمان، مدير برنامج في وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة الأمريكية (DARPA)، التي مولت العمل. "إذا ذهبت إلى التحول البصري، فستجد مكاسب هائلة في الدقة والأداء، ولكنها عادةً ما تأتي أيضًا بتعقيد لا يصدق في نفس الوقت. إن العثور على حل وسط سعيد هو المعركة الحقيقية.

العثور على الذرات الصحيحة

الفرق الرئيسي بين الساعات الضوئية وأسلافها من الموجات الدقيقة هو الليزر. لبناء أدق الساعات الممكنة، يستخدم العلماء الذرات التي تقدم أضيق التحولات الذرية - عادة السترونتيوم أو الإيتربيوم - ويصممون أنظمة الليزر الخاصة بهم حول المتطلبات الخاصة لتلك الذرات. يتم الاحتفاظ بالذرات في غرف مفرغة، ويتم استخدام أشعة ليزر مختلفة لتبريدها واحتجازها، بينما تمنع أشعة الليزر الأخرى التحولات غير المرغوب فيها أو تستجوب التحول المطلوب المستخدم في الساعة. كل هذه الليزرات، التي يصل مجموعها إلى اثنتي عشرة، تحتاج إلى تثبيتها على ترددات دقيقة، وتتطلب صيانتها إشرافًا مستمرًا.

لبناء نسخة أقل دقة، ولكن أكثر قوة وقابلة للحمل، من الساعة الضوئية، الرئيس التنفيذي لشركة Vector Atomic والمؤسس المشارك جميل ابو شاعر كان عليه أن يتخذ نهجا مختلفا. ويقول: "بدلاً من تصميم النظام حول الذرة، قمنا بتصميم النظام حول أشعة الليزر".

ويوضح أبو شعير أن أقوى أنواع الليزر الموجودة وأكثرها اختبارًا على مر الزمن، هي تلك المستخدمة في الاتصالات السلكية واللاسلكية والآلات الصناعية. وبفضل سنوات (أو حتى عقود) من البحث والتطوير التجاري، أصبحت هذه العناصر مدمجة ومستقرة للغاية، وقد اختار هو وفريقه نوعًا ذريًا يناسبهم: اليود الجزيئي. يتمتع هذا الجزيء بانتقالات مريحة بالقرب من ليزر الأشعة تحت الحمراء مضاعف التردد الذي يشيع استخدامه في التصنيع. اختار الفريق أيضًا إعدادًا بسيطًا لخلية البخار، والذي يتجنب تبريد الذرات إلى درجات حرارة شديدة البرودة أو حصرها في فراغ فائق الارتفاع.

وكانت النتيجة عبارة عن ساعة بصرية جاهزة للاستخدام، أطلق عليها الفريق اسم Evergreen، ويبلغ حجمها 30 لترًا فقط - وهو حجم مشغل الأسطوانات تقريبًا. على الرغم من أن دقة توقيت Evergreen بعيدة كل البعد عن أحدث التقنيات المعملية، إلا أنها أكثر دقة 100 مرة من ساعات الموجات الدقيقة الموجودة ذات الحجم المماثل. كما أنه يتطابق أيضًا مع أداء الساعات المعتمدة على أجهزة توجيه الهيدروجين، وهي أجهزة بحجم الثلاجات شديدة الحساسية للضوضاء البيئية.

تجارب البحر

في صيف عام 2022، أمضى نموذج أولي من Evergreen ثلاثة أسابيع على متن سفينة في البحر للاختبار. خلال هذا الوقت عملت الساعة دون أي تدخل. عند العودة، اختبر الفريق أداء الساعة ووجدوا أنها لم تتدهور بشكل كبير، على الرغم من الاضطرابات وتقلبات درجات الحرارة على متن السفينة. يقول هوفمان: "عندما حدث ذلك، اعتقدت أن الجميع يجب أن يقفوا ويصرخوا من فوق أسطح المنازل". "أعني أن الناس كانوا يعملون على هذه الساعات البصرية منذ عقود. وكانت هذه هي المرة الأولى التي تعمل فيها الساعة الضوئية من تلقاء نفسها دون تدخل بشري، في العالم الحقيقي.

ووفقاً لأبو شعير، فإن حجم Evergreen واستقراره يمهدان الطريق لاعتماد مثل هذه الساعات على نطاق واسع في الملاحة، خاصة عندما يتم حجب إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو انتحالها. في مراكز البيانات وبروتوكولات الاتصالات؛ ولمزامنة الإشارات الصادرة عن أجهزة الكشف عن بعد للأغراض العلمية. حاليًا، تصل دقة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إلى حوالي ثلاثة أمتار، لكن التوقيت الأكثر دقة على الأقمار الصناعية يمكن أن يخفض ذلك إلى بضعة سنتيمترات أو أقل، مما يسمح للمركبات ذاتية القيادة بالبقاء في ممراتها أو طائرات التوصيل بدون طيار بالهبوط على الشرفة. ويضيف أبو شعير أن القدرة على تقطيع الوقت إلى أجزاء أصغر يجب أن تسمح أيضًا باتصالات ذات نطاق ترددي أعلى.

ساعة شبكية بصرية محمولة تقيس الارتفاع

يبقى أن نرى ما إذا كانت هذه الساعة بالذات هي التي ستعمل على تشغيل الجيل التالي من نظام تحديد المواقع (GPS) ونقل البيانات بشكل أسرع. لكن التقدم التكنولوجي لا يزال كبيرا، كما يقول إليزابيث دونلي، رئيس قسم الوقت والتردد بالمعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في بولدر، كولورادو. يقول دونلي، الذي لم يشارك في عمل شركة Vector Atomic: «يحتمل أن يكون هناك الكثير من الأنواع الأخرى من الساعات الضوئية التي يمكن طرحها في السوق خلال العقد المقبل». "إن قلب هذا الشيء عبارة عن خلية بخار اليود، ولكن يمكن استخدام البنية التحتية لأنواع أخرى من الساعات أيضًا."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/