Το φορητό οπτικό ατομικό ρολόι κάνει το εμπορικό του ντεμπούτο - Physics World

Το φορητό οπτικό ατομικό ρολόι κάνει το εμπορικό του ντεμπούτο - Physics World

Χρονική σήμανση: 12 Δεκεμβρίου 2023 10:00 π.μ.

Φωτογραφία τεσσάρων κυψελών ατμού ιωδίου, που είναι γυάλινα κουτιά μήκους λίγων εκατοστών
Απλή εγκατάσταση: Οι κυψέλες ατμού ιωδίου που χρησιμοποιούνται στο φορητό οπτικό ατομικό ρολόι της Vector Atomic. (Ευγενική προσφορά: Vector Atomic)

Τα άτομα είναι οι πιο ακριβείς χρονομετρητές στον κόσμο – τόσο πολύ που το δεύτερο ορίζεται ως ακριβώς 9 192 631 770 τικ ενός ατομικού ρολογιού με βάση το καίσιο. Οι εμπορικά διαθέσιμες εκδόσεις αυτών των ρολογιών ατομικής ακρίβειας υποστηρίζουν τις αγορές GPS, πλοήγησης, μεταφοράς δεδομένων και χρηματοοικονομικών αγορών και λειτουργούν σε συχνότητες μικροκυμάτων ή δισεκατομμύρια tick-tocks ανά δευτερόλεπτο. Μετά από μια μέρα, η χρονομέτρησή τους έχει τελειώσει λιγότερο από δέκα νανοδευτερόλεπτα.

Όσο καλό κι αν είναι αυτό, όμως, η επόμενη γενιά ατομικών ρολογιών είναι ακόμα πιο ακριβής. Αυτές οι κατασκευές που βασίζονται στο εργαστήριο λειτουργούν σε οπτικές συχνότητες, που σημαίνει ότι σημειώνουν δεκάδες τρισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο. Το καλύτερο από αυτά μπορεί να παραμείνει ακριβές σε 10 femtoseconds (10-15 ιθ) μετά από μια μέρα ή μέσα σε ένα δευτερόλεπτο μετά από 50 δισεκατομμύρια χρόνια. Και σύντομα, για πρώτη φορά, θα μπορείτε να αγοράσετε ένα δικό σας: Η Vector Atomic, μια start-up με έδρα την Καλιφόρνια των Η.Π.Α. το πρώτο φορητό οπτικό ρολόι στην αγορά.

«Σήμερα τα μόνα ρολόγια που μπορείτε να αγοράσετε είναι τα ρολόγια μικροκυμάτων», λέει Τζόναθαν Χόφμαν, διευθυντής προγράμματος στην Αμερικανική Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων Άμυνας (DARPA), η οποία χρηματοδότησε το έργο. «Αν πάτε στην οπτική μετάβαση, υπάρχει ένα τεράστιο κέρδος στην ακρίβεια, την ακρίβεια και την απόδοση, αλλά συνήθως συνοδεύεται από απίστευτη πολυπλοκότητα ταυτόχρονα. Η εύρεση ενός ευτυχισμένου συμβιβασμού είναι η πραγματική μάχη».

Εύρεση των σωστών ατόμων

Η κύρια διαφορά μεταξύ των οπτικών ρολογιών και των προκατόχων τους μικροκυμάτων είναι τα λέιζερ. Για να κατασκευάσουν όσο το δυνατόν ακριβέστερα ρολόγια, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τα άτομα που προσφέρουν τις στενότερες ατομικές μεταπτώσεις -συνήθως στρόντιο ή υττέρβιο- και σχεδιάζουν τα συστήματα λέιζερ τους γύρω από τις ιδιαίτερες απαιτήσεις αυτών των ατόμων. Τα άτομα διατηρούνται σε θαλάμους κενού και χρησιμοποιούνται διαφορετικά λέιζερ για την ψύξη και την παγίδευση τους, ενώ άλλα λέιζερ εμποδίζουν τις ανεπιθύμητες μεταβάσεις ή ανακρίνουν την επιθυμητή που χρησιμοποιείται στο ρολόι. Όλα αυτά τα λέιζερ, έως και μια ντουζίνα συνολικά, πρέπει να σταθεροποιηθούν σε ακριβείς συχνότητες και η διατήρησή τους απαιτεί συνεχή επίβλεψη.

Για να δημιουργήσετε μια λιγότερο ακριβή, αλλά πιο στιβαρή και φορητή, έκδοση ενός οπτικού ρολογιού, ο Διευθύνων Σύμβουλος και συνιδρυτής της Vector Atomic Jamil Abo-Shaeer έπρεπε να ακολουθήσει διαφορετική προσέγγιση. «Αντί να σχεδιάσουμε το σύστημα γύρω από το άτομο, σχεδιάσαμε το σύστημα γύρω από τα λέιζερ», λέει.

Φωτογραφία μιας χτένας συχνότητας σε ένα ορθογώνιο κουτί
Μια προσαρμοσμένη χτένα συμπαγούς συχνότητας που χρησιμοποιείται για την ανάγνωση της συχνότητας του οπτικού ρολογιού. (Ευγενική προσφορά: Vector Atomics)

Τα πιο σκληρά, πιο δοκιμασμένα στο χρόνο λέιζερ που υπάρχουν, εξηγεί ο Abo-Shaeer, είναι αυτά που χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες και τη βιομηχανική μηχανική κατεργασία. Χάρη σε χρόνια (ή και δεκαετίες) εμπορικής Ε&Α, είναι εξαιρετικά συμπαγείς και σταθερές, και αυτός και η ομάδα του επέλεξαν ένα ατομικό είδος που τους ταιριάζει: το μοριακό ιώδιο. Αυτό το μόριο έχει βολικές μεταβάσεις κοντά σε ένα υπέρυθρο λέιζερ διπλής συχνότητας που χρησιμοποιείται συνήθως στη μηχανική κατεργασία. Η ομάδα επέλεξε επίσης μια απλή ρύθμιση κυψελών ατμού που αποφεύγει την ψύξη των ατόμων σε ψυχρές θερμοκρασίες ή τον περιορισμό τους σε εξαιρετικά υψηλό κενό.

Το αποτέλεσμα ήταν ένα οπτικό ρολόι με το κλειδί στο χέρι, το οποίο η ομάδα αποκαλεί Evergreen, με όγκο μόλις 30 λίτρα – περίπου όσο ένα πικάπ. Αν και η ακρίβεια του χρονισμού του Evergreen απέχει πολύ από την κατάσταση της τεχνολογίας που βασίζεται στο εργαστήριο, είναι 100 φορές πιο ακριβής από τα υπάρχοντα ρολόγια μικροκυμάτων συγκρίσιμου μεγέθους. Ταιριάζει επίσης με την απόδοση των ρολογιών που βασίζονται σε μέιζερ υδρογόνου – συσκευές στο μέγεθος ψυγείων που είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στον περιβαλλοντικό θόρυβο.

Θαλάσσιες δοκιμές

Το καλοκαίρι του 2022, ένα πρωτότυπο του Evergreen πέρασε τρεις εβδομάδες σε ένα πλοίο στη θάλασσα για δοκιμή. Σε αυτό το διάστημα το ρολόι λειτουργούσε χωρίς καμία παρέμβαση. Μετά την επιστροφή, η ομάδα δοκίμασε την απόδοση του ρολογιού και διαπίστωσε ότι δεν είχε υποβαθμιστεί σημαντικά, παρά τις αναταράξεις και τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στο πλοίο. «Όταν συνέβη, σκέφτηκα ότι όλοι θα έπρεπε να είναι όρθιοι και να φωνάζουν από τις στέγες», λέει ο Χόφμαν. «Εννοώ ότι οι άνθρωποι εργάζονται σε αυτά τα οπτικά ρολόγια για δεκαετίες. Και αυτή ήταν η πρώτη φορά που ένα οπτικό ρολόι έτρεξε μόνο του χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση, στον πραγματικό κόσμο».

Φωτογραφία του οπτικού ρολογιού της Vector Atomic, ένα μακρόστενο γκρι κουτί με οθόνη και μια χούφτα υποδοχές
Tick ​​tock: Το Evergreen οπτικό ρολόι της Vector Atomic στο κουτί του. (Ευγενική προσφορά: Vector Atomics)

Σύμφωνα με τον Abo-Shaeer, το μέγεθος και η σταθερότητα του Evergreen ανοίγουν το δρόμο για την ευρεία υιοθέτηση τέτοιων ρολογιών στην πλοήγηση, ειδικά όταν τα σήματα GPS μπλοκάρονται ή παραποιούνται. σε κέντρα δεδομένων και τηλεπικοινωνιακά πρωτόκολλα· και για συγχρονισμό σημάτων από απομακρυσμένους ανιχνευτές για επιστημονικούς σκοπούς. Επί του παρόντος, το GPS είναι ακριβές σε περίπου τρία μέτρα, αλλά ο ακριβέστερος χρονισμός στους δορυφόρους θα μπορούσε να το μειώσει σε μερικά εκατοστά ή λιγότερο, επιτρέποντας στα αυτόνομα οχήματα να παραμείνουν στη λωρίδα τους ή στα drones παράδοσης να προσγειωθούν σε ένα μπαλκόνι. Η δυνατότητα κοπής του χρόνου σε μικρότερα κομμάτια θα πρέπει επίσης να επιτρέπει επικοινωνίες υψηλότερου εύρους ζώνης, προσθέτει ο Abo-Shaeer.

Το αν αυτό το συγκεκριμένο ρολόι είναι αυτό που θα τροφοδοτήσει την επόμενη γενιά GPS και την ταχύτερη μεταφορά δεδομένων, μένει να φανεί. Ωστόσο, η τεχνολογική πρόοδος είναι σημαντική, λέει Ελίζαμπεθ Ντόνλεϊ, επικεφαλής του τμήματος χρόνου και συχνότητας του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) στο Μπόλντερ του Κολοράντο. «Υπάρχουν δυνητικά πολλοί άλλοι τύποι οπτικών ρολογιών που θα μπορούσαν να βγουν στην αγορά την επόμενη δεκαετία», λέει ο Donley, ο οποίος δεν συμμετείχε στο έργο της Vector Atomic. «Η καρδιά αυτού του πράγματος είναι μια κυψέλη ατμού ιωδίου, αλλά η υποδομή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλους τύπους ρολογιών».

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής