A hordozható optikai atomóra debütál a kereskedelmi forgalomban – a Physics World

A hordozható optikai atomóra debütál a kereskedelmi forgalomban – a Physics World

Időbélyeg: 12. december 2023. 10:00

Fénykép négy jódgőzcelláról, amelyek néhány centiméter hosszú üvegdobozok
Egyszerű beállítás: A Vector Atomic hordozható optikai atomórájában használt jódgőzcellák. (Jó: Vector Atomic)

Az atomok a világ legpontosabb időmérői – olyannyira, hogy a második a cézium alapú atomóra pontosan 9 192 631 770 ketyegése. Ezeknek az atompontos óráknak a kereskedelemben kapható változatai a GPS, a navigáció, az adatátvitel és a pénzügyi piacok alapját képezik, és mikrohullámú frekvencián vagy másodpercenként több milliárd ketyegéssel működnek. Egy nap elteltével az időmérőjük kevesebb, mint tíz nanoszekundummal jár.

Bármennyire is jó ez, az atomórák következő generációja még pontosabb. Ezek a laboratóriumi konstrukciók optikai frekvencián futnak, ami azt jelenti, hogy másodpercenként több tíz billiószor ketyegnek. A legjobb közülük 10 femtomásodpercig (10-15 s) egy nap múlva, vagy egy másodpercen belül 50 milliárd év után. Hamarosan pedig először vásárolhat sajátot: a Vector Atomic, egy kaliforniai székhelyű start-up, az Egyesült Államokban Az első hordozható optikai óra a piacon.

„Ma már csak mikrohullámú órákat lehet vásárolni” – mondja Jonathan Hoffman, a munkát finanszírozó US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) programvezetője. „Ha az optikai átmenetet választjuk, óriásit javul a precizitás, a pontosság és a teljesítmény, de ez jellemzően hihetetlen összetettséggel is jár. A boldog kompromisszum megtalálása az igazi csata.”

A megfelelő atomok megtalálása

A fő különbség az optikai órák és mikrohullámú elődeik között a lézer. A lehető legpontosabb órák megépítéséhez a tudósok a legszűkebb atomi átmenetet kínáló atomokat – általában stronciumot vagy itterbiumot – használják, és lézerrendszereiket ezen atomok sajátos követelményei szerint tervezik. Az atomokat vákuumkamrákban tartják, és különböző lézereket használnak hűtésére és befogására, míg más lézerek blokkolják a nemkívánatos átmeneteket, vagy lekérdezik az órában használtat. Mindezeket a lézereket, összesen akár egy tucatig, pontos frekvenciára kell stabilizálni, karbantartásuk pedig állandó felügyeletet igényel.

Az optikai óra kevésbé pontos, de robusztusabb és hordozható változatának elkészítéséhez a Vector Atomic vezérigazgatója és társalapítója Jamil Abo-Shaeer más megközelítést kellett alkalmazniuk. „Ahelyett, hogy az atom köré terveztük volna a rendszert, a lézerek köré terveztük a rendszert” – mondja.

Fénykép egy frekvenciafésűről egy téglalap alakú dobozban
Egyedi gyártású kompakt frekvenciafésű az optikai órafrekvencia kiolvasására. (jóvoltából: Vector Atomics)

Abo-Shaeer magyarázata szerint a létező legkeményebb, legtöbb időt tesztelt lézerek a távközlésben és az ipari megmunkálásban használatosak. A több éves (vagy akár évtizedes) kereskedelmi kutatás-fejlesztésnek köszönhetően rendkívül kompaktak és stabilak, és csapatával a számukra megfelelő atomfajtát választották: a molekuláris jódot. Ez a molekula kényelmes átmenetekkel rendelkezik a megmunkálásban általánosan használt frekvencia-dupla infravörös lézer közelében. A csapat emellett egy egyszerű gőzcellás elrendezés mellett döntött, amely elkerüli az atomok hidegre hűtését vagy ultramagas vákuumba zárását.

Az eredmény egy kulcsrakész optikai óra, amelyet a csapat Evergreennek hív, mindössze 30 literes – nagyjából akkora, mint egy lemezjátszó. Bár az Evergreen időzítésének pontossága messze eltér a laboratóriumi technikákon alapuló csúcstól, 100-szor pontosabb, mint a meglévő, hasonló méretű mikrohullámú órák. Megfelel a hidrogénmaser alapú órák teljesítményének is – a környezeti zajra rendkívül érzékeny méretű, walk-in hűtőszekrény méretű készülékeknek.

Tengeri próbák

2022 nyarán az Evergreen prototípusa három hetet töltött egy hajó fedélzetén a tengeren tesztelés céljából. Ezalatt az óra minden beavatkozás nélkül működött. Visszatéréskor a csapat tesztelte az óra teljesítményét, és megállapították, hogy a hajó fedélzetén tapasztalt turbulencia és hőmérsékletingadozás ellenére nem romlott le jelentősen. „Amikor ez megtörtént, úgy gondoltam, mindenkinek fel kell állnia és kiabálnia a háztetőkről” – mondja Hoffman. „Úgy értem, az emberek évtizedek óta dolgoznak ezeken az optikai órákon. És ez volt az első alkalom, hogy egy optikai óra magától, emberi beavatkozás nélkül működött a való világban.”

Fotó a Vector Atomic optikai órájáról, egy hosszúkás szürke dobozról kijelzővel és néhány csatlakozóval
Tick ​​tock: a Vector Atomic Evergreen optikai órája a dobozában. (jóvoltából: Vector Atomics)

Abo-Shaeer szerint az Evergreen mérete és stabilitása megnyitja az utat az ilyen órák széles körű elterjedéséhez a navigációban, különösen akkor, ha a GPS-jeleket blokkolják vagy hamisítják; adatközpontokban és távközlési protokollokban; valamint a távoli detektorok jeleinek tudományos célú szinkronizálására. Jelenleg a GPS körülbelül három méteres pontosságú, de a műholdak pontosabb időzítése néhány centiméterre vagy kevesebbre csökkentheti, így az autonóm járművek a sávjukban maradhatnak, vagy a szállító drónok az erkélyen landolhatnak. Az Abo-Shaeer hozzáteszi, hogy az idő kisebb darabokra való felosztása nagyobb sávszélességű kommunikációt is lehetővé tesz.

Hogy ez az óra lesz-e az, amely a GPS következő generációját és gyorsabb adatátvitelt hajtja-e végre, az még nem derül ki. A technológiai fejlődés ennek ellenére jelentős, mondja Elizabeth Donley, az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete (NIST) idő- és frekvenciaosztályának vezetője a Colorado állambeli Boulderben. „Sok más típusú optikai óra is megjelenhet a piacon a következő évtizedben” – mondja Donley, aki nem vett részt a Vector Atomic munkájában. "Ennek a dolognak a lényege egy jódgőzcella, de az infrastruktúra más típusú órákhoz is használható."

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa