ساعت اتمی نوری قابل حمل اولین تجاری خود را - Physics World - انجام می دهد

ساعت اتمی نوری قابل حمل اولین تجاری خود را - Physics World - انجام می دهد

تمبر زمان: 12 دسامبر 2023، 10:00 صبح

عکس چهار سلول بخار ید که جعبه های شیشه ای به طول چند سانتی متر هستند
راه اندازی ساده: سلول های بخار ید مورد استفاده در ساعت اتمی نوری قابل حمل Vector Atomic. (با احترام: Vector Atomic)

اتم‌ها دقیق‌ترین زمان‌سنج‌های جهان هستند - به‌قدری که دومی دقیقاً به‌عنوان 9 تیک ساعت اتمی مبتنی بر سزیوم تعریف می‌شود. نسخه‌های تجاری موجود از این ساعت‌های دقیق اتمی زیربنای GPS، ناوبری، انتقال داده‌ها و بازارهای مالی هستند و در فرکانس‌های مایکروویو یا میلیاردها تیک در ثانیه کار می‌کنند. پس از یک روز، زمان‌سنجی آنها کمتر از ده نانوثانیه تمام می‌شود.

با این حال، به همان اندازه که این خوب است، نسل بعدی ساعت‌های اتمی دقیق‌تر هستند. این ساختارهای مبتنی بر آزمایشگاه در فرکانس‌های نوری اجرا می‌شوند، به این معنی که ده‌ها تریلیون بار در ثانیه تیک می‌زنند. بهترین آنها می تواند تا 10 فمتوثانیه دقیق بماند (10-15 ث) پس از یک روز یا در عرض یک ثانیه پس از 50 میلیارد سال. و به زودی، برای اولین بار، می توانید یکی از خودتان را بخرید: Vector Atomic، یک استارت آپ مستقر در کالیفرنیا، ایالات متحده، اولین ساعت نوری قابل حمل در بازار.

می‌گوید: «امروزه تنها ساعت‌هایی که می‌توانید بخرید، ساعت‌های مایکروویو هستند جاناتان هافمن، مدیر برنامه در آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده (دارپا) که بودجه این کار را تامین کرده است. «اگر به سمت انتقال نوری بروید، یک دستاورد بزرگ در دقت، دقت و عملکرد وجود دارد، اما معمولاً در همان زمان پیچیدگی باورنکردنی نیز دارد. یافتن یک سازش شاد، نبرد واقعی است.»

یافتن اتم های مناسب

تفاوت اصلی ساعت‌های نوری با مدل‌های مایکروویو قبلی‌شان، لیزر است. برای ساخت دقیق‌ترین ساعت‌های ممکن، دانشمندان از اتم‌هایی استفاده می‌کنند که باریک‌ترین انتقال‌های اتمی را ارائه می‌کنند - معمولاً استرانسیوم یا ایتربیوم - و سیستم‌های لیزری خود را بر اساس نیازهای خاص آن اتم‌ها طراحی می‌کنند. اتم‌ها در محفظه‌های خلاء نگهداری می‌شوند و از لیزرهای مختلف برای خنک کردن و به دام انداختن آنها استفاده می‌شود، در حالی که لیزرهای دیگر انتقال نامطلوب را مسدود می‌کنند یا مورد مورد نظر مورد استفاده در ساعت را بازجویی می‌کنند. تمام این لیزرها، در مجموع تا ده ها، نیاز به تثبیت در فرکانس های دقیق دارند و حفظ آنها مستلزم نظارت مداوم است.

برای ساخت نسخه ای کمتر دقیق، اما قوی تر و قابل حمل، یک ساعت نوری، مدیر عامل و یکی از بنیانگذاران Vector Atomic جمیل ابوشعیر باید رویکرد متفاوتی در پیش می گرفت. او می‌گوید: «به‌جای طراحی سیستم پیرامون اتم، سیستم را پیرامون لیزرها طراحی کردیم.

عکس شانه فرکانس در جعبه مستطیلی
یک شانه فرکانس فشرده سفارشی که برای خواندن فرکانس ساعت نوری استفاده می شود. (با احترام: Vector Atomics)

ابوشایر توضیح می دهد که سخت ترین و با زمان آزمایش شده ترین لیزرهای موجود، لیزرهایی هستند که در مخابرات و ماشینکاری صنعتی استفاده می شوند. به لطف سالها (یا حتی دهه ها) تحقیق و توسعه تجاری، آنها بسیار فشرده و پایدار هستند و او و تیمش گونه اتمی مناسب خود را انتخاب کردند: ید مولکولی. این مولکول دارای انتقال راحت در نزدیکی لیزر مادون قرمز دو برابر فرکانس است که معمولاً در ماشین‌کاری استفاده می‌شود. این تیم همچنین یک راه‌اندازی سلول بخار ساده را انتخاب کردند که از سرد کردن اتم‌ها در دمای سرد یا محصور کردن آنها در خلاء فوق‌العاده اجتناب می‌کند.

نتیجه یک ساعت نوری کلید در دست بود که تیم آن را Evergreen نامید، با حجمی 30 لیتری - تقریباً به اندازه یک دستگاه پخش. اگرچه دقت زمان‌بندی Evergreen با حالت آزمایشگاهی فاصله دارد، اما 100 برابر دقیق‌تر از ساعت‌های مایکروویو موجود در اندازه‌های مشابه است. همچنین با عملکرد ساعت‌های مبتنی بر میزرهای هیدروژنی مطابقت دارد - دستگاه‌هایی به اندازه یخچال‌هایی که به شدت به نویزهای محیطی حساس هستند.

آزمایشات دریایی

در تابستان 2022، یک نمونه اولیه از Evergreen، سه هفته را در یک کشتی در دریا برای آزمایش سپری کرد. در این مدت ساعت بدون هیچ دخالتی کار می کرد. پس از بازگشت، تیم عملکرد ساعت را آزمایش کرد و متوجه شد که با وجود تلاطم و نوسانات دما در کشتی، به طور قابل توجهی کاهش نیافته است. هافمن می گوید: «وقتی این اتفاق افتاد، فکر کردم همه باید بایستند و از پشت بام ها فریاد بزنند. منظورم این است که مردم چندین دهه است که روی این ساعت‌های نوری کار می‌کنند. و این اولین باری بود که یک ساعت نوری به تنهایی و بدون دخالت انسان در دنیای واقعی کار می‌کرد.

عکس ساعت نوری Vector Atomic، یک جعبه خاکستری مستطیل با صفحه نمایش و تعداد انگشت شماری کانکتور
تیک تاک: ساعت نوری همیشه سبز Vector Atomic در جعبه خود. (با احترام: Vector Atomics)

به گفته ابوشعیر، اندازه و پایداری Evergreen راه را برای پذیرش گسترده چنین ساعت‌هایی در جهت‌یابی هموار می‌کند، به‌ویژه زمانی که سیگنال‌های GPS مسدود یا جعلی هستند. در مراکز داده و پروتکل های مخابراتی؛ و برای همگام سازی سیگنال های آشکارسازهای از راه دور برای اهداف علمی. در حال حاضر، GPS تا حدود سه متر دقیق است، اما زمان‌بندی دقیق‌تر در ماهواره‌ها می‌تواند آن را به چند سانتی‌متر یا کمتر کاهش دهد و به وسایل نقلیه خودران اجازه می‌دهد در مسیر خود بمانند یا پهپادهای تحویل‌دهنده در بالکن فرود آیند. ابوشایر می‌افزاید، توانایی تقسیم زمان به قطعات کوچک‌تر نیز باید امکان ارتباطات با پهنای باند بالاتر را فراهم کند.

این که آیا این ساعت خاص همان ساعتی است که نسل بعدی GPS و انتقال سریعتر داده ها را تامین می کند، باید دید. اما با این وجود پیشرفت فناوری قابل توجه است الیزابت دانلی، رئیس بخش زمان و فرکانس مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) در بولدر، کلرادو. دانلی که در کار Vector Atomic دخالتی نداشت، می‌گوید: «به طور بالقوه بسیاری از انواع دیگر ساعت‌های نوری وجود دارند که می‌توانند در دهه آینده وارد بازار شوند. قلب این چیز یک سلول بخار ید است، اما از زیرساخت آن می توان برای انواع دیگر ساعت ها نیز استفاده کرد.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک