שעון אטומי אופטי נייד עושה את הופעת הבכורה המסחרית שלו - Physics World

שעון אטומי אופטי נייד עושה את הופעת הבכורה המסחרית שלו - Physics World

חותמת זמן: 12 בדצמבר, 2023 10:00

תמונה של ארבעה תאי אדי יוד, שהם קופסאות זכוכית באורך של כמה סנטימטרים
הגדרה פשוטה: תאי אדי היוד המשמשים בשעון האטומי האופטי הנייד של Vector Atomic. (באדיבות: Vector Atomic)

אטומים הם שומרי הזמן המדויקים ביותר בעולם - עד כדי כך שהשני מוגדר בדיוק כ-9 תקתוקים של שעון אטומי מבוסס צזיום. גרסאות זמינות מסחרית של שעונים אלו המדויקים מבחינה אטומית עומדות בבסיס ה-GPS, הניווט, העברת הנתונים והשווקים הפיננסיים, והם פועלים בתדרים של מיקרוגל, או מיליארדי טיק-טאקים בשנייה. לאחר יום, מדידת הזמן שלהם נגמרת בפחות מעשר ננו-שניות.

עם זאת, עד כמה שזה טוב, הדור הבא של השעונים האטומיים הוא אפילו יותר מדויק. מבנים מבוססי מעבדה אלה פועלים בתדרים אופטיים, כלומר הם מתקתקים עשרות טריליוני פעמים בשנייה. הטובים שבהם יכולים להישאר מדויקים עד 10 פמט-שניות (10-15 s) אחרי יום, או תוך שנייה אחרי 50 מיליארד שנה. ובקרוב, בפעם הראשונה, תוכל לקנות אחד משלך: Vector Atomic, סטארט-אפ שבסיסו בקליפורניה, ארה"ב, שם את השעון האופטי הנייד הראשון בשוק.

"היום השעונים היחידים שאתה יכול לקנות הם שעוני מיקרוגל", אומר יונתן הופמן, מנהל תוכנית בסוכנות האמריקאית לפרויקטי מחקר מתקדמים של ההגנה (DARPA), שמימנה את העבודה. "אם אתה הולך למעבר האופטי, יש רווח ענק בדייקנות, דיוק וביצועים, אבל זה גם בדרך כלל מגיע עם מורכבות מדהימה בו זמנית. מציאת פשרה מאושרת היא הקרב האמיתי".

מציאת האטומים הנכונים

ההבדל העיקרי בין שעונים אופטיים לקודמיהם במיקרוגל הוא לייזרים. כדי לבנות את השעונים המדויקים ביותר האפשריים, מדענים משתמשים באטומים שמציעים את המעברים האטומיים הצרים ביותר - בדרך כלל סטרונציום או איטרביום - ומתכננים את מערכות הלייזר שלהם סביב הדרישות המיוחדות של האטומים הללו. האטומים נשמרים בתאי ואקום, ולייזרים שונים משמשים לקירור וללכוד אותם, בעוד שלייזרים אחרים חוסמים מעברים לא רצויים או חוקרים את הרצוי המשמש בשעון. יש לייצב את כל הלייזרים הללו, עד תריסר בסך הכל, לתדרים מדויקים, ותחזוקתם דורשת השגחה מתמדת.

לבנות גרסה פחות מדויקת, אך חזקה וניידת יותר, של שעון אופטי, מנכ"ל וקטור אטומיק ומייסד שותף ג'מיל אבו-שייר היה צריך לנקוט בגישה אחרת. "במקום לתכנן את המערכת סביב האטום, תכננו את המערכת סביב הלייזרים", הוא אומר.

תמונה של מסרק תדרים בקופסה מלבנית
מסרק תדרים קומפקטי שנבנה בהתאמה אישית המשמש לקריאת תדר השעון האופטי. (באדיבות: Vector Atomics)

הלייזרים הקשים ביותר, שנבדקו בזמן, שקיימים, מסבירה אבו-שייר, הם אלה המשמשים בתקשורת ובעיבוד שבבי תעשייתי. הודות לשנים (או אפילו עשרות שנים) של מו"פ מסחרי, הם קומפקטיים ויציבים במיוחד, והוא וצוותו בחרו במין אטומי שמתאים להם: יוד מולקולרי. למולקולה זו יש מעברים נוחים ליד לייזר אינפרא אדום מוכפל בתדר הנפוץ בעיבוד שבבי. הצוות גם בחר במערך תאי אד פשוט שנמנע מקירור האטומים לטמפרטורות קפואות או כליאתם בוואקום גבוה במיוחד.

התוצאה הייתה שעון אופטי סוהר, שהצוות מכנה Evergreen, בנפח של 30 ליטר בלבד - בערך בגודל של נגן תקליטים. למרות שהדיוק בתזמון של אוורגרין רחוק ממצב האמנות המבוסס על מעבדה, הוא מדויק פי 100 משעוני מיקרוגל קיימים בגודל דומה. זה גם תואם את הביצועים של שעונים המבוססים על מימן מימן - מכשירים בגודל של מקררי כניסה שרגישים ביותר לרעש סביבתי.

ניסויים בים

בקיץ 2022, אב טיפוס של אוורגרין בילה שלושה שבועות על סיפון ספינה בים לצורך בדיקה. בזמן זה השעון פעל ללא כל התערבות. עם החזרה, הצוות בדק את ביצועי השעון ומצא שהוא לא ירד משמעותית, למרות המערבולת ותנודות הטמפרטורה על סיפונה. "כשזה קרה, חשבתי שכולם צריכים לעמוד ולצעוק מהגגות", אומר הופמן. "כלומר, אנשים עובדים על השעונים האופטיים האלה במשך עשרות שנים. וזו הייתה הפעם הראשונה ששעון אופטי רץ בעצמו ללא הפרעה אנושית, בחוץ בעולם האמיתי".

תמונה של השעון האופטי של Vector Atomic, קופסה אפורה מאורכת עם מסך תצוגה וקומץ מחברים
טיק טוק: השעון האופטי Evergreen של Vector Atomic בקופסה שלו. (באדיבות: Vector Atomics)

לפי אבו-שייר, הגודל והיציבות של אוורגרין סוללים את הדרך לאימוץ נרחב של שעונים כאלה בניווט, במיוחד כאשר אותות GPS חסומים או מזויפים; במרכזי נתונים ופרוטוקולי תקשורת; ולסנכרון אותות מגלאים מרוחקים למטרות מדעיות. נכון לעכשיו, ה-GPS מדויק עד כשלושה מטרים, אבל תזמון מדויק יותר בלוויינים יכול להוריד את זה לכמה סנטימטרים או פחות, ולאפשר לכלי רכב אוטונומיים להישאר בנתיבים שלהם או לרחפנים לנחות על מרפסת. היכולת לקצץ את הזמן לחתיכות קטנות יותר אמורה גם לאפשר תקשורת ברוחב פס גבוה יותר, מוסיפה Abo-Shaeer.

האם השעון המסוים הזה הוא זה שיפעיל את הדור הבא של GPS והעברת נתונים מהירה יותר נותר לראות. אבל ההתקדמות הטכנולוגית היא משמעותית בכל זאת, אומר אליזבת דונלי, ראש חטיבת הזמן והתדרים של המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארה"ב (NIST) בבולדר, קולורדו. "ישנם פוטנציאל להרבה סוגים אחרים של שעונים אופטיים שיכולים להגיע לשוק במהלך העשור הבא", אומר דונלי, שלא היה מעורב בעבודתו של Vector Atomic. "הלב של הדבר הזה הוא תא אדי יוד, אבל התשתית יכולה לשמש גם לסוגים אחרים של שעונים."

בול זמן:

עוד מ עולם הפיזיקה