Draagbare optische atoomklok maakt zijn commerciële debuut – Physics World

Draagbare optische atoomklok maakt zijn commerciële debuut – Physics World

Tijdstempel: 12 december 2023 10:00 uur

Foto van vier jodiumdampcellen, glazen dozen van enkele centimeters lang
Eenvoudige installatie: de jodiumdampcellen die worden gebruikt in de draagbare optische atoomklok van Vector Atomic. (Met dank: Vector Atomic)

Atomen zijn de meest nauwkeurige tijdwaarnemers ter wereld – zozeer zelfs dat de seconde wordt gedefinieerd als exact 9 192 631 770 tikken van een op cesium gebaseerde atoomklok. Commercieel verkrijgbare versies van deze atomair nauwkeurige klokken ondersteunen GPS, navigatie, gegevensoverdracht en financiële markten, en ze werken op microgolffrequenties, oftewel miljarden tikken per seconde. Na een dag wijkt hun tijdwaarneming nog geen tien nanoseconden af.

Hoe goed dit ook is, de volgende generatie atoomklokken is nog nauwkeuriger. Deze laboratoriumgebaseerde constructies werken op optische frequenties, wat betekent dat ze tientallen biljoenen keren per seconde tikken. De beste daarvan kunnen tot op 10 femtoseconden nauwkeurig blijven (10-15 s) na een dag, of binnen een seconde na 50 miljard jaar. En binnenkort kun je er voor het eerst zelf een kopen: Vector Atomic, een start-up gevestigd in Californië, VS, heeft de eerste draagbare optische klok op de markt.

“Tegenwoordig zijn de enige klokken die je kunt kopen microgolfklokken”, zegt Jonathan Hofman, een programmamanager bij het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dat het werk financierde. “Als je naar de optische transitie gaat, is er sprake van een enorme winst op het gebied van precisie, nauwkeurigheid en prestaties, maar dit gaat doorgaans ook gepaard met een ongelooflijke complexiteit. Het vinden van een gelukkig compromis is de echte strijd.”

Het vinden van de juiste atomen

Het belangrijkste verschil tussen optische klokken en hun microgolfvoorgangers zijn lasers. Om de meest nauwkeurige klokken te bouwen, gebruiken wetenschappers de atomen die de smalste atomaire overgangen bieden – meestal strontium of ytterbium – en ontwerpen ze hun lasersystemen rond de specifieke vereisten van die atomen. De atomen worden in vacuümkamers bewaard en er worden verschillende lasers gebruikt om ze af te koelen en op te vangen, terwijl andere lasers ongewenste overgangen blokkeren of de gewenste overgang in de klok ondervragen. Al deze lasers, tot een tiental in totaal, moeten worden gestabiliseerd op nauwkeurige frequenties, en het onderhoud ervan vereist constant toezicht.

Om een ​​minder nauwkeurige, maar robuustere en draagbare versie van een optische klok te bouwen, heeft Vector Atomic CEO en mede-oprichter Jamil Abo-Shaeer moest een andere aanpak kiezen. “In plaats van het systeem rond het atoom te ontwerpen, hebben we het systeem rond de lasers ontworpen”, zegt hij.

Foto van een frequentiekam in een rechthoekige doos
Een op maat gemaakte compacte frequentiekam die wordt gebruikt om de optische klokfrequentie uit te lezen. (Met dank: Vector Atomics)

De sterkste en meest beproefde lasers die er bestaan, legt Abo-Shaeer uit, worden gebruikt in de telecommunicatie en industriële bewerking. Dankzij jaren (of zelfs tientallen jaren) commerciële R&D zijn ze extreem compact en stabiel, en hij en zijn team hebben een atomaire soort gekozen die bij hen past: moleculair jodium. Dit molecuul heeft handige overgangen in de buurt van een infrarode laser met dubbele frequentie die gewoonlijk wordt gebruikt bij machinale bewerking. Het team koos ook voor een eenvoudige dampcelopstelling die vermijdt dat de atomen worden afgekoeld tot koude temperaturen of dat ze in een ultrahoog vacuüm worden opgesloten.

Het resultaat was een kant-en-klare optische klok, die het team Evergreen noemde, met een inhoud van slechts 30 liter – ongeveer zo groot als een platenspeler. Hoewel de nauwkeurigheid van de timing van Evergreen verre van de stand van de techniek in het laboratorium is, is deze wel 100 keer nauwkeuriger dan bestaande microgolfklokken van vergelijkbare grootte. Het komt ook overeen met de prestaties van klokken op basis van waterstofmasers – apparaten ter grootte van inloopkoelkasten die extreem gevoelig zijn voor omgevingsgeluid.

Proeven op zee

In de zomer van 2022 verbleef een prototype van Evergreen drie weken aan boord van een schip op zee om te testen. Gedurende deze tijd werkte de klok zonder enige tussenkomst. Bij terugkomst testte het team de prestaties van de klok en ontdekte dat deze niet significant was verslechterd, ondanks turbulentie en temperatuurschommelingen aan boord van het schip. “Toen het gebeurde, vond ik dat iedereen moest opstaan ​​en van de daken moeten schreeuwen”, zegt Hoffman. “Ik bedoel, mensen werken al tientallen jaren aan deze optische klokken. En dit was de eerste keer dat een optische klok op zichzelf draaide, zonder menselijke tussenkomst, in de echte wereld.”

Foto van de optische klok van Vector Atomic, een langwerpige grijze doos met een beeldscherm en een handvol connectoren
Tik op: de Evergreen optische klok van Vector Atomic in de doos. (Met dank: Vector Atomics)

Volgens Abo-Shaeer maken de omvang en stabiliteit van Evergreen de weg vrij voor een wijdverbreide acceptatie van dergelijke klokken in de navigatie, vooral wanneer GPS-signalen worden geblokkeerd of vervalst; in datacentra en telecommunicatieprotocollen; en voor het synchroniseren van signalen van externe detectoren voor wetenschappelijke doeleinden. Momenteel is GPS nauwkeurig tot op ongeveer drie meter, maar een nauwkeurigere timing op satellieten zou dat tot enkele centimeters of minder kunnen terugbrengen, waardoor autonome voertuigen op hun rijbaan kunnen blijven of drones voor bezorging op een balkon kunnen landen. Als je de tijd in kleinere stukjes kunt opdelen, zou dit ook communicatie met een hogere bandbreedte mogelijk moeten maken, voegt Abo-Shaeer toe.

Of deze specifieke klok degene zal zijn die de volgende generatie GPS en snellere gegevensoverdracht zal aandrijven, valt nog te bezien. Maar de technologische vooruitgang is niettemin aanzienlijk, zegt Elisabeth Donly, het hoofd van de tijd- en frequentieafdeling van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado. “Er zijn potentieel veel andere soorten optische klokken die de komende tien jaar op de markt kunnen komen”, zegt Donley, die niet betrokken was bij het werk van Vector Atomic. “Het hart van dit ding is een jodiumdampcel, maar de infrastructuur kan ook voor andere soorten klokken worden gebruikt.”

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld