Przenośny optyczny zegar atomowy debiutuje komercyjnie – Physics World

Atomy to najprecyzyjniejsze chronometraże na świecie – do tego stopnia, że ​​sekundę definiuje się jako dokładnie 9 192 631 770 taktów zegara atomowego opartego na cezie. Dostępne w handlu wersje tych atomowo precyzyjnych zegarów stanowią podstawę GPS, nawigacji, przesyłania danych i rynków finansowych i działają na częstotliwościach mikrofalowych, czyli miliardach taktów na sekundę. Po jednym dniu ich pomiar czasu różni się o mniej niż dziesięć nanosekund.

Choć jest to dobre, następna generacja zegarów atomowych jest jeszcze bardziej precyzyjna. Te laboratoryjne konstrukcje działają na częstotliwościach optycznych, co oznacza, że ​​tykają dziesiątki bilionów razy na sekundę. Najlepsze z nich potrafią zachować dokładność do 10 femtosekund (10^-15 s) po jednym dniu lub w ciągu sekundy po 50 miliardach lat. Wkrótce po raz pierwszy będzie można kupić własny egzemplarz: Vector Atomic, start-up z siedzibą w Kalifornii w USA, umieścił pierwszy na rynku przenośny zegar optyczny.

„Dzisiaj jedyne zegary, jakie można kupić, to zegary mikrofalowe” – mówi Jonathana Hoffmana, kierownik programu w amerykańskiej Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obronności (DARPA), która sfinansowała prace. „Jeśli przejdziemy do przejścia optycznego, nastąpi ogromny wzrost precyzji, dokładności i wydajności, ale zazwyczaj wiąże się to również z niewiarygodną złożonością. Znalezienie szczęśliwego kompromisu to prawdziwa bitwa.

Znalezienie odpowiednich atomów

Główną różnicą między zegarami optycznymi a ich poprzednikami mikrofalowymi są lasery. Aby zbudować jak najdokładniejsze zegary, naukowcy wykorzystują atomy zapewniające najwęższe przejścia atomowe – zwykle stront lub iterb – i projektują swoje systemy laserowe w oparciu o szczególne wymagania tych atomów. Atomy trzymane są w komorach próżniowych, a do ich chłodzenia i uwięzienia używa się różnych laserów, podczas gdy inne lasery blokują niepożądane przejścia lub sprawdzają pożądane przejścia stosowane w zegarze. Wszystkie te lasery, łącznie aż kilkanaście, wymagają stabilizacji do precyzyjnych częstotliwości, a ich konserwacja wymaga stałego nadzoru.

Aby zbudować mniej precyzyjną, ale solidniejszą i przenośną wersję zegara optycznego, dyrektor generalny i współzałożyciel Vector Atomic Jamila Abo-Shaeera trzeba było przyjąć inne podejście. „Zamiast projektować system wokół atomu, zaprojektowaliśmy system wokół laserów” – mówi.

Abo-Shaeer wyjaśnia, że ​​najtwardsze i najbardziej sprawdzone lasery na świecie to te stosowane w telekomunikacji i obróbce przemysłowej. Dzięki latom (a nawet dziesięcioleciom) komercyjnych badań i rozwoju są one niezwykle zwarte i stabilne, a on i jego zespół wybrali odpowiadający im rodzaj atomu: jod molekularny. Cząsteczka ta posiada wygodne przejścia w pobliżu lasera podczerwonego o podwojonej częstotliwości, powszechnie stosowanego w obróbce skrawaniem. Zespół zdecydował się również na prostą konfigurację ogniw parowych, która pozwala uniknąć chłodzenia atomów do niskich temperatur lub zamykania ich w ultrawysokiej próżni.

W rezultacie powstał gotowy do użycia zegar optyczny, który zespół nazwał Evergreen, o pojemności zaledwie 30 litrów – czyli mniej więcej wielkości gramofonu. Chociaż precyzja pomiaru czasu Evergreen odbiega od laboratoryjnego stanu wiedzy, jest ona 100 razy dokładniejsza niż istniejące zegary mikrofalowe porównywalnej wielkości. Dorównuje także wydajnością zegarom opartym na maserach wodorowych – urządzeniach wielkości lodówek walk-in, które są niezwykle wrażliwe na hałas otoczenia.

Próby morskie

Latem 2022 roku prototyp Evergreen spędził trzy tygodnie na pokładzie statku na morzu w celu testów. Przez ten czas zegar działał bez żadnej ingerencji. Po powrocie zespół przetestował działanie zegara i stwierdził, że nie uległo ono znacznemu pogorszeniu pomimo turbulencji i wahań temperatury na pokładzie statku. „Kiedy to się stało, pomyślałem, że wszyscy powinni wstać i krzyczeć z dachów” – mówi Hoffman. „To znaczy, ludzie pracowali nad tymi zegarami optycznymi od dziesięcioleci. I to był pierwszy raz, kiedy zegar optyczny działał samodzielnie, bez ingerencji człowieka, w prawdziwym świecie.

Według Abo-Shaeera rozmiar i stabilność Evergreen torują drogę do powszechnego zastosowania takich zegarów w nawigacji, zwłaszcza gdy sygnały GPS są blokowane lub fałszowane; w centrach danych i protokołach telekomunikacyjnych; oraz do synchronizacji sygnałów z zdalnych detektorów do celów naukowych. Obecnie dokładność GPS wynosi około trzech metrów, ale dokładniejszy pomiar czasu w satelitach mógłby obniżyć tę wartość do kilku centymetrów lub mniej, umożliwiając pojazdom autonomicznym utrzymywanie się na swoich pasach ruchu lub dronom dostawczym lądowanie na balkonie. Możliwość pocięcia czasu na mniejsze części powinna również pozwolić na komunikację o większej przepustowości, dodaje Abo-Shaeer.

Przenośny zegar kratowy optyczny mierzy wysokość

Czas pokaże, czy ten konkretny zegar będzie napędzał następną generację GPS i szybszy transfer danych. Niemniej jednak postęp technologiczny jest znaczący, mówi Elżbieta Donley, szef działu czasu i częstotliwości Amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) w Boulder w Kolorado. „Potencjalnie istnieje wiele innych typów zegarów optycznych, które mogą pojawić się na rynku w ciągu następnej dekady” – mówi Donley, który nie był zaangażowany w prace Vector Atomic. „Sercem tego urządzenia jest ogniwo jodowe, ale infrastrukturę można wykorzystać również w przypadku innych typów zegarów”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/