Kaasaskantav optiline aatomkell teeb oma kommertsdebüüdi – Physics World

Aatomid on maailma kõige täpsemad ajamõõtjad – nii palju, et teine ​​on määratletud kui tseesiumipõhise aatomkella täpselt 9 192 631 770 tiksumist. Nende aatomitäpsete kellade müügil olevad versioonid toetavad GPS-i, navigatsiooni, andmeedastust ja finantsturge ning töötavad mikrolaineahju sagedustel ehk miljardeid tiksumisi sekundis. Päeva peale on nende ajavõtt vähem kui kümne nanosekundi võrra läbi.

Nii hea kui see ka pole, on järgmise põlvkonna aatomkellad veelgi täpsemad. Need laboripõhised konstruktsioonid töötavad optilistel sagedustel, mis tähendab, et need tiksuvad kümneid triljoneid kordi sekundis. Parimad neist võivad püsida 10 femtosekundi täpsusega (10^-15 s) päeva pärast või sekundi jooksul 50 miljardi aasta pärast. Ja peagi saate esimest korda omaenda osta: USA-s Californias asuv idufirma Vector Atomic on pannud esimene kaasaskantav optiline kell turul.

"Tänapäeval on ainsad kellad, mida saate osta, mikrolaineahjud," ütleb Jonathan Hoffman, tööd rahastanud USA kaitsealase arenenud uurimisprojektide agentuuri (DARPA) programmijuht. "Kui minna optilisele üleminekule, suureneb täpsus, täpsus ja jõudlus tohutult, kuid tavaliselt kaasneb sellega ka uskumatu keerukus. Õnneliku kompromissi leidmine on tõeline lahing.

Õigete aatomite leidmine

Peamine erinevus optiliste kellade ja nende mikrolaine eelkäijate vahel on laserid. Võimalikult täpsete kellade ehitamiseks kasutavad teadlased aatomeid, mis pakuvad kõige kitsamaid aatomiüleminekuid – tavaliselt strontsiumi või ütterbiumi – ja kujundavad oma lasersüsteemid nende aatomite erinõuete järgi. Aatomeid hoitakse vaakumkambrites ning nende jahutamiseks ja püüdmiseks kasutatakse erinevaid lasereid, teised laserid aga blokeerivad soovimatud üleminekud või küsitlevad kellas kasutatavat soovitud üle. Kõik need laserid, kokku kuni kümmekond, tuleb stabiliseerida täpsetele sagedustele ja nende hooldamine nõuab pidevat järelevalvet.

Optilise kella vähem täpse, kuid tugevama ja kaasaskantavama versiooni loomiseks, Vector Atomicu tegevjuht ja kaasasutaja Jamil Abo-Shaeer tuli võtta teistsugune lähenemine. "Selle asemel, et kujundada süsteem aatomi ümber, kujundasime süsteemi laserite ümber, " ütleb ta.

Abo-Shaeer selgitab, et kõige karmimad ja enim aega testitud laserid on need, mida kasutatakse telekommunikatsioonis ja tööstuslikus töötlemises. Tänu aastate (või isegi aastakümnete) pikkusele kaubanduslikule uurimis- ja arendustegevusele on need äärmiselt kompaktsed ja stabiilsed ning ta valis koos meeskonnaga neile sobiva aatomiliigi: molekulaarse joodi. Sellel molekulil on mugavad üleminekud sagedusega kahekordse infrapunalaseri lähedal, mida tavaliselt kasutatakse töötlemisel. Meeskond valis ka lihtsa auruelemendi seadistuse, mis väldib aatomite jahutamist külma temperatuurini või nende sulgemist ülikõrgesse vaakumisse.

Tulemuseks oli võtmed kätte optiline kell, mida meeskond nimetab Evergreeniks ja mille maht on vaid 30 liitrit – umbes plaadimängija suurune. Kuigi Evergreeni ajastuse täpsus on laboripõhisest tehnikatasemest kaugel, on see 100 korda täpsem kui olemasolevad võrreldava suurusega mikrolaine kellad. See ühtib ka vesinikmaseritel põhinevate kellade töövõimega – sissekäitava külmiku suurusega seadmed, mis on äärmiselt tundlikud keskkonnamüra suhtes.

Merekatsed

2022. aasta suvel veetis Evergreeni prototüüp kolm nädalat merel laeva pardal katsetamiseks. Selle aja jooksul töötas kell ilma igasuguse sekkumiseta. Naasmisel katsetas meeskond kella jõudlust ja leidis, et see ei olnud märkimisväärselt halvenenud, hoolimata turbulentsist ja temperatuurikõikumistest laeva pardal. "Kui see juhtus, arvasin, et kõik peaksid püsti tõusma ja katustelt karjuma," räägib Hoffman. "Ma mõtlen, et inimesed on nende optiliste kellade kallal töötanud aastakümneid. Ja see oli esimene kord, kui optiline kell pärismaailmas iseseisvalt ilma inimese sekkumiseta tööle hakkas.

Abo-Shaeeri sõnul sillutavad Evergreeni suurus ja stabiilsus teed selliste kellade laialdaseks kasutuselevõtuks navigatsioonis, eriti kui GPS-signaalid on blokeeritud või võltsitud; andmekeskustes ja telekommunikatsiooniprotokollides; ja kaugdetektorite signaalide sünkroniseerimiseks teaduslikel eesmärkidel. Praegu on GPS-i täpsus umbes kolm meetrit, kuid täpsem ajastus satelliitidel võib selle kahandada mõne sentimeetrini või alla selle, võimaldades autonoomsetel sõidukitel oma sõiduradadel püsida või droonidel rõdule maanduda. Abo-Shaeer lisab, et võimalus jagada aega väiksemateks tükkideks peaks võimaldama ka suurema ribalaiusega sidet.

Kaasaskantav optiline võrekell mõõdab kõrgust

Kas see konkreetne kell on see, mis toidab järgmise põlvkonna GPS-i ja kiiremat andmeedastust, jääb alles näha. Kuid tehnoloogiline areng on sellegipoolest märkimisväärne, ütleb Elizabeth Donley, USA riikliku standardi- ja tehnoloogiainstituudi (NIST) aja- ja sagedusosakonna juhataja Boulderis, Colorados. "Järgmise kümnendi jooksul võib turule tulla palju muud tüüpi optilisi kellasid, " ütleb Donley, kes ei osalenud Vector Atomicu töös. "Selle asja tuumaks on joodiauruelement, kuid infrastruktuuri saab kasutada ka teist tüüpi kellade jaoks."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/