Bærbart optisk atomur får sin kommercielle debut - Physics World

Bærbart optisk atomur får sin kommercielle debut - Physics World

Tidsstempel: 12. december 2023 kl. 10:00

Foto af fire joddampceller, som er glaskasser på få centimeter lange
Enkel opsætning: Joddampcellerne brugt i Vector Atomics bærbare optiske atomur. (Med høflighed: Vector Atomic)

Atomer er verdens mest præcise tidtagere - så meget, at den anden er defineret som nøjagtigt 9 192 631 770 tick af et cæsium-baseret atomur. Kommercielt tilgængelige versioner af disse atomisk præcise ure understøtter GPS, navigation, dataoverførsel og finansielle markeder, og de kører ved mikrobølgefrekvenser eller milliarder af tick-tocks i sekundet. Efter en dag er deres tidtagning ude med mindre end ti nanosekunder.

Så godt som dette dog er, er næste generation af atomure endnu mere præcise. Disse laboratorie-baserede konstruktioner kører ved optiske frekvenser, hvilket betyder, at de tikker titusinder af trillioner af gange i sekundet. Den bedste af dem kan forblive præcis til 10 femtosekunder (10-15 s) efter en dag eller inden for et sekund efter 50 milliarder år. Og snart, for første gang, vil du være i stand til at købe en af ​​dine helt egne: Vector Atomic, en start-up baseret i Californien, USA, har sat første bærbare optiske ur på markedet.

"I dag er de eneste ure, du kan købe, mikrobølgeure," siger Jonathan Hoffman, en programleder ved US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), som finansierede arbejdet. "Hvis du går til den optiske overgang, er der en kæmpe gevinst i præcision, nøjagtighed og ydeevne, men det kommer typisk også med en utrolig kompleksitet på samme tid. At finde et lykkeligt kompromis er den virkelige kamp."

At finde de rigtige atomer

Den største forskel mellem optiske ure og deres mikrobølgeforgængere er lasere. For at bygge de mest præcise ure som muligt bruger videnskabsmænd de atomer, der tilbyder de smalleste atomovergange - normalt strontium eller ytterbium - og designer deres lasersystemer omkring disse atomers særlige krav. Atomerne opbevares i vakuumkamre, og forskellige lasere bruges til at afkøle og fange dem, mens andre lasere blokerer for uønskede overgange eller udspørger den ønskede, der bruges i uret. Alle disse lasere, op til et dusin i alt, skal stabiliseres til præcise frekvenser, og vedligeholdelse af dem kræver konstant overvågning.

At bygge en mindre præcis, men mere robust og bærbar version af et optisk ur, Vector Atomic CEO og medstifter Jamil Abo-Shaeer måtte tage en anden tilgang. "I stedet for at designe systemet omkring atomet, designede vi systemet omkring laserne," siger han.

Foto af en frekvenskam i en rektangulær kasse
En specialbygget kompakt frekvenskam, der bruges til at udlæse den optiske clock-frekvens. (Med høflighed: Vector Atomics)

De hårdeste, mest gennemtestede lasere, der findes, forklarer Abo-Shaeer, er dem, der bruges i telekommunikation og industriel bearbejdning. Takket være år (eller endda årtier) med kommerciel forskning og udvikling er de ekstremt kompakte og stabile, og han og hans team valgte en atomart, der passer til dem: molekylært jod. Dette molekyle har praktiske overgange nær en frekvens-doblet infrarød laser, der almindeligvis anvendes til bearbejdning. Holdet valgte også en simpel dampcelle-opsætning, der undgår at afkøle atomerne til kolde temperaturer eller begrænse dem i et ultrahøjt vakuum.

Resultatet blev et nøglefærdigt optisk ur, som holdet kalder Evergreen, med en volumen på kun 30 liter – nogenlunde på størrelse med en pladespiller. Selvom præcisionen af ​​Evergreens timing er langt fra den lab-baserede state of the art, er den 100 gange mere præcis end eksisterende mikrobølgeure af en sammenlignelig størrelse. Det matcher også ydeevnen af ​​ure baseret på brintmasere – enheder på størrelse med walk-in køleskabe, der er ekstremt følsomme over for miljøstøj.

Søforsøg

I sommeren 2022 tilbragte en prototype af Evergreen tre uger ombord på et skib på havet til test. I dette tidsrum fungerede uret uden indblanding. Ved hjemkomsten testede holdet urets ydeevne og fandt ud af, at det ikke var blevet væsentligt forringet på trods af turbulens og temperatursvingninger ombord på skibet. "Da det skete, troede jeg, at alle skulle stå op og råbe fra hustagene," siger Hoffman. "Jeg mener, folk har arbejdet på disse optiske ure i årtier. Og det var første gang, et optisk ur kørte af sig selv uden menneskelig indblanding, ude i den virkelige verden."

Foto af Vector Atomics optiske ur, en aflang grå boks med en skærm og en håndfuld stik
Tick ​​tock: Vector Atomics Evergreen optiske ur i sin æske. (Med høflighed: Vector Atomics)

Ifølge Abo-Shaeer baner Evergreens størrelse og stabilitet vejen for udbredt anvendelse af sådanne ure i navigation, især når GPS-signaler er blokeret eller forfalsket; i datacentre og telekommunikationsprotokoller; og til synkronisering af signaler fra fjerndetektorer til videnskabelige formål. I øjeblikket er GPS præcis til omkring tre meter, men mere præcis timing på satellitter kan bringe det ned til et par centimeter eller mindre, hvilket giver autonome køretøjer mulighed for at blive i deres vognbaner eller leveringsdroner til at lande på en balkon. At være i stand til at skære tiden op i mindre stykker bør også give mulighed for kommunikation med højere båndbredde, tilføjer Abo-Shaeer.

Om netop dette ur er det, der vil drive den næste generation af GPS og hurtigere dataoverførsel, er stadig uvist. Men det teknologiske fremskridt er ikke desto mindre betydeligt, siger Elizabeth Donley, leder af det amerikanske National Institute of Standards and Technology (NIST) tids- og frekvensdivision i Boulder, Colorado. "Der er potentielt mange andre typer optiske ure, der kan komme på markedet i løbet af det næste årti," siger Donley, som ikke var involveret i Vector Atomics arbejde. "Hjertet i denne ting er en joddampcelle, men infrastrukturen kan også bruges til andre typer ure."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden