Bærbar optisk atomklokke gjør sin kommersielle debut – Physics World

Bærbar optisk atomklokke gjør sin kommersielle debut – Physics World

Tidsstempel: 12. desember 2023 10:00

Foto av fire joddampceller, som er noen få centimeter lange glassbokser
Enkelt oppsett: Joddampcellene som brukes i Vector Atomics bærbare optiske atomklokke. (Med tillatelse: Vector Atomic)

Atomer er verdens mest presise tidtakere – så mye at den andre er definert som nøyaktig 9 192 631 770 tikk av en cesiumbasert atomklokke. Kommersielt tilgjengelige versjoner av disse atomisk presise klokkene underbygger GPS, navigasjon, dataoverføring og finansmarkeder, og de kjører med mikrobølgefrekvenser, eller milliarder av tick-tocks per sekund. Etter en dag er tidtakingen deres ute med mindre enn ti nanosekunder.

Så bra som dette er, er neste generasjon atomklokker enda mer presise. Disse laboratoriebaserte konstruksjonene kjører med optiske frekvenser, noe som betyr at de tikker titalls billioner ganger per sekund. De beste av dem kan forbli nøyaktige til 10 femtosekunder (10-15 s) etter en dag, eller innen et sekund etter 50 milliarder år. Og snart, for første gang, vil du kunne kjøpe en av dine helt egne: Vector Atomic, en oppstart basert i California, USA, har satt første bærbare optiske klokke på markedet.

"I dag er de eneste klokkene du kan kjøpe mikrobølgeklokker," sier Jonathan Hoffman, en programleder ved US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), som finansierte arbeidet. "Hvis du går til den optiske overgangen, er det en enorm gevinst i presisjon, nøyaktighet og ytelse, men det kommer også vanligvis med utrolig kompleksitet på samme tid. Å finne et lykkelig kompromiss er den virkelige kampen.»

Finne de riktige atomene

Hovedforskjellen mellom optiske klokker og deres mikrobølgeforgjengere er lasere. For å bygge mest mulig presise klokker bruker forskerne atomene som tilbyr de smaleste atomovergangene - vanligvis strontium eller ytterbium - og designer lasersystemene sine rundt disse atomenes spesielle krav. Atomene holdes i vakuumkamre, og forskjellige lasere brukes til å avkjøle og fange dem, mens andre lasere blokkerer uønskede overganger eller forhører den ønskede som brukes i klokken. Alle disse laserne, opptil et dusin totalt, må stabiliseres til nøyaktige frekvenser, og vedlikehold av dem krever konstant tilsyn.

For å bygge en mindre presis, men mer robust og bærbar versjon av en optisk klokke, Vector Atomic CEO og medgründer Jamil Abo-Shaeer måtte ha en annen tilnærming. "I stedet for å designe systemet rundt atomet, designet vi systemet rundt laserne," sier han.

Foto av en frekvenskam i en rektangulær boks
En spesialbygd kompakt frekvenskam som brukes til å lese ut den optiske klokkefrekvensen. (Med tillatelse: Vector Atomics)

De tøffeste og mest tidstestede laserne som finnes, forklarer Abo-Shaeer, er de som brukes i telekommunikasjon og industriell maskinering. Takket være år (eller til og med tiår) med kommersiell FoU, er de ekstremt kompakte og stabile, og han og teamet hans valgte en atomart som passer dem: molekylært jod. Dette molekylet har praktiske overganger nær en frekvensdoblet infrarød laser som vanligvis brukes i maskinering. Teamet valgte også et enkelt dampcelleoppsett som unngår å avkjøle atomene til kjølige temperaturer eller begrense dem i et ultrahøyt vakuum.

Resultatet ble en nøkkelferdig optisk klokke, som teamet kaller Evergreen, med et volum på bare 30 liter – omtrent på størrelse med en platespiller. Selv om presisjonen til Evergreens timing er langt fra den laboratoriebaserte toppmoderne, er den 100 ganger mer presis enn eksisterende mikrobølgeklokker av sammenlignbar størrelse. Den matcher også ytelsen til klokker basert på hydrogenmasere – enheter på størrelse med walk-in-kjøleskap som er ekstremt følsomme for miljøstøy.

Sjøprøver

Sommeren 2022 tilbrakte en prototype av Evergreen tre uker ombord på et skip til sjøs for testing. I løpet av denne tiden fungerte klokken uten noen innblanding. Ved retur testet teamet klokkens ytelse og fant ut at den ikke hadde blitt vesentlig forringet, til tross for turbulens og temperatursvingninger ombord på skipet. "Da det skjedde, tenkte jeg at alle burde stå opp og rope fra hustakene," sier Hoffman. "Jeg mener, folk har jobbet med disse optiske klokkene i flere tiår. Og dette var første gang en optisk klokke gikk av seg selv uten menneskelig innblanding, ute i den virkelige verden.»

Foto av Vector Atomics optiske klokke, en avlang grå boks med skjerm og en håndfull kontakter
Tick ​​tock: Vector Atomics Evergreen optiske klokke i esken. (Med tillatelse: Vector Atomics)

Ifølge Abo-Shaeer baner Evergreens størrelse og stabilitet vei for utbredt bruk av slike klokker i navigasjon, spesielt når GPS-signaler er blokkert eller forfalsket; i datasentre og telekommunikasjonsprotokoller; og for synkronisering av signaler fra fjerndetektorer for vitenskapelige formål. Foreløpig er GPS nøyaktig til omtrent tre meter, men mer presis timing på satellitter kan bringe det ned til noen få centimeter eller mindre, slik at autonome kjøretøy kan holde seg i kjørefeltene eller leveringsdronene kan lande på en balkong. Å kunne kutte opp tid i mindre biter bør også tillate kommunikasjon med høyere båndbredde, legger Abo-Shaeer til.

Det gjenstår å se om akkurat denne klokken er den som vil drive neste generasjon GPS og raskere dataoverføring. Men det teknologiske fremskrittet er likevel betydelig, sier Elizabeth Donley, leder av US National Institute of Standards and Technology (NIST) tids- og frekvensdivisjon i Boulder, Colorado. "Det er potensielt mange andre typer optiske klokker som kan komme på markedet i løpet av det neste tiåret," sier Donley, som ikke var involvert i Vector Atomics arbeid. "Hjertet til denne tingen er en joddampcelle, men infrastrukturen kan også brukes til andre typer klokker."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden