Kannettava optinen atomikello tekee kaupallisen debyyttinsä – Physics World

Atomit ovat maailman tarkimpia ajanottajia – niin paljon, että toinen määritellään tarkalleen 9 192 631 770 cesiumpohjaisen atomikellon tikkuksi. Kaupallisesti saatavilla olevat versiot näistä atomin tarkoista kelloista tukevat GPS:ää, navigointia, tiedonsiirtoa ja rahoitusmarkkinoita, ja ne toimivat mikroaaltotaajuuksilla tai miljardeja tikkuja sekunnissa. Päivän jälkeen heidän ajanottonsa on poissa alle kymmenen nanosekunnin verran.

Niin hyvä kuin tämä onkin, seuraavan sukupolven atomikellot ovat vieläkin tarkempia. Nämä laboratorioon perustuvat rakenteet toimivat optisilla taajuuksilla, mikä tarkoittaa, että ne tikittävät kymmeniä biljoonia kertoja sekunnissa. Parhaat niistä voivat pysyä 10 femtosekunnin tarkkuudella (10^-15 s) päivän kuluttua tai sekunnissa 50 miljardin vuoden kuluttua. Ja pian, ensimmäistä kertaa, voit ostaa oman: Kaliforniassa Yhdysvalloissa sijaitseva start-up Vector Atomic on tehnyt ensimmäinen kannettava optinen kello markkinoilla.

"Nykyään ainoat kellot, joita voit ostaa, ovat mikroaaltouunit", sanoo Jonathan Hoffman, ohjelmapäällikkö US Defense Advanced Research Projects Agencyssä (DARPA), joka rahoitti työn. "Jos siirryt optiseen siirtymään, tarkkuudessa, tarkkuudessa ja suorituskyvyssä on valtava lisäys, mutta samaan aikaan se on tyypillisesti myös uskomattoman monimutkainen. Onnellisen kompromissin löytäminen on todellinen taistelu."

Oikeiden atomien löytäminen

Suurin ero optisten kellojen ja niiden mikroaaltouunien edeltäjien välillä on laserit. Mahdollisimman tarkimpien kellojen rakentamiseksi tutkijat käyttävät atomeja, jotka tarjoavat kapeimman atomisiirtymän – yleensä strontiumia tai ytterbiumia – ja suunnittelevat laserjärjestelmänsä näiden atomien erityisvaatimusten mukaisesti. Atomit säilytetään tyhjiökammioissa, ja niiden jäähdyttämiseen ja vangitsemiseen käytetään erilaisia ​​lasereita, kun taas toiset laserit estävät ei-toivotut siirtymät tai kyselevät kellossa käytettävää haluttua. Kaikki nämä laserit, yhteensä jopa tusina, on stabiloitava tarkille taajuuksille, ja niiden ylläpito vaatii jatkuvaa valvontaa.

Rakentaa vähemmän tarkka, mutta kestävämpi ja kannettava versio optisesta kellosta, Vector Atomicin toimitusjohtaja ja perustaja Jamil Abo-Shaeer piti ottaa erilainen lähestymistapa. "Sen sijaan, että suunnittelimme järjestelmän atomin ympärille, suunnittelimme järjestelmän lasereiden ympärille", hän sanoo.

Abo-Shaeer selittää, että kovimmat ja aikatestatuimmat laserit ovat ne, joita käytetään tietoliikenteessä ja teollisessa koneistuksessa. Vuosien (tai jopa vuosikymmenien) kaupallisen tutkimus- ja kehitystyön ansiosta ne ovat erittäin kompakteja ja vakaita, ja hän ja hänen tiiminsä valitsivat heille sopivan atomilajin: molekyylijodin. Tällä molekyylillä on käteviä siirtymiä lähellä koneistuksessa yleisesti käytettyä taajuuskaksoistettua infrapunalaseria. Tiimi valitsi myös yksinkertaisen höyrykennojärjestelmän, jolla vältetään atomien jäähdyttäminen kylmiin lämpötiloihin tai niiden sulkeminen erittäin korkeaan tyhjiöön.

Tuloksena oli avaimet käteen -periaatteella toimiva optinen kello, jota tiimi kutsuu Evergreeniksi ja jonka tilavuus on vain 30 litraa – suunnilleen levysoittimen kokoinen. Vaikka Evergreenin ajoituksen tarkkuus on kaukana laboratoriopohjaisesta tekniikan tasosta, se on 100 kertaa tarkempi kuin nykyiset vastaavan kokoiset mikroaaltokellot. Se vastaa myös vetymaseriin perustuvien kellojen suorituskykyä – jääkaapin kokoisia laitteita, jotka ovat erittäin herkkiä ympäristön melulle.

Merikokeet

Kesällä 2022 Evergreenin prototyyppi vietti kolme viikkoa aluksella merellä testattavaksi. Tänä aikana kello toimi ilman väliintuloa. Palattuaan tiimi testasi kellon suorituskykyä ja havaitsi, että se ei ollut merkittävästi heikentynyt laivan turbulenssista ja lämpötilan vaihteluista huolimatta. "Kun se tapahtui, ajattelin, että kaikkien pitäisi nousta seisomaan ja huutaa katoilta", Hoffman sanoo. ”Tarkoitan, että ihmiset ovat työskennelleet näiden optisten kellojen parissa vuosikymmeniä. Ja tämä oli ensimmäinen kerta, kun optinen kello toimi itsestään ilman ihmisen puuttumista todellisessa maailmassa.

Abo-Shaeerin mukaan Evergreenin koko ja vakaus tasoittavat tietä tällaisten kellojen laajalle käyttöönotolle navigoinnissa, varsinkin kun GPS-signaalit estetään tai väärennetään; tietokeskuksissa ja tietoliikenneprotokollissa; ja kaukoilmaisimien signaalien synkronoimiseen tieteellisiin tarkoituksiin. Tällä hetkellä GPS on noin kolme metriä tarkka, mutta tarkempi ajoitus satelliiteilla voi pudottaa sen muutamaan senttimetriin tai alle, jolloin autonomiset ajoneuvot voivat pysyä kaistallaan tai jakeludronit laskeutua parvekkeelle. Abo-Shaeer lisää, että kyky pilkkoa aika pienemmiksi paloiksi mahdollistaa myös suuremman kaistanleveyden.

Kannettava optinen hilakello mittaa korkeutta

Nähtäväksi jää, toimiiko tämä kello seuraavan sukupolven GPS:n ja nopeamman tiedonsiirron tehonlähteenä. Mutta tekninen kehitys on silti merkittävää, sanoo Elizabeth Donley, Yhdysvaltain kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin (NIST) aika- ja taajuusjaoston johtaja Boulderissa, Coloradossa. "Seuraavan vuosikymmenen aikana markkinoille saattaa tulla monia muun tyyppisiä optisia kelloja", sanoo Donley, joka ei ollut mukana Vector Atomicin töissä. "Tämän asian ydin on jodihöyrykenno, mutta infrastruktuuria voidaan käyttää myös muuntyyppisissä kelloissa."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/