Ceasul atomic optic portabil își face debutul comercial – Physics World

Ceasul atomic optic portabil își face debutul comercial – Physics World

Marca temporală: 12 decembrie 2023, ora 10:00

Fotografie cu patru celule de vapori de iod, care sunt cutii de sticlă lungi de câțiva centimetri
Configurare simplă: celulele cu vapori de iod utilizate în ceasul atomic optic portabil al Vector Atomic. (Cu amabilitatea: Vector Atomic)

Atomii sunt cei mai precisi cronometre din lume – atât de mult încât al doilea este definit ca exact 9 192 631 770 de căpușe ale unui ceas atomic pe bază de cesiu. Versiunile disponibile comercial ale acestor ceasuri cu precizie atomică stau la baza GPS-ului, navigației, transferului de date și piețelor financiare și rulează la frecvențe de microunde sau miliarde de tic-tac pe secundă. După o zi, cronometrarea lor este eliminată cu mai puțin de zece nanosecunde.

Oricât de bun este, totuși, următoarea generație de ceasuri atomice este și mai precisă. Aceste construcții bazate pe laborator rulează la frecvențe optice, ceea ce înseamnă că bifează de zeci de trilioane de ori pe secundă. Cele mai bune dintre ele pot rămâne precise până la 10 femtosecunde (10-15 s) după o zi sau într-o secundă după 50 de miliarde de ani. Și în curând, pentru prima dată, veți putea cumpăra unul de-al dumneavoastră: Vector Atomic, un start-up cu sediul în California, SUA, a lansat primul ceas optic portabil de pe piață.

„Astăzi, singurele ceasuri pe care le puteți cumpăra sunt ceasurile cu microunde”, spune Jonathan Hoffman, un manager de program la Agenția SUA pentru Proiecte de Cercetare Avansată pentru Apărare (DARPA), care a finanțat lucrarea. „Dacă treceți la tranziția optică, există un câștig uriaș în precizie, acuratețe și performanță, dar de obicei vine și cu o complexitate incredibilă în același timp. Găsirea unui compromis fericit este adevărata bătălie.”

Găsirea atomilor potriviți

Principala diferență dintre ceasurile optice și predecesorii lor cu microunde sunt laserele. Pentru a construi ceasuri cât mai precise posibil, oamenii de știință folosesc atomii care oferă cele mai înguste tranziții atomice - de obicei stronțiu sau itterbiu - și își proiectează sistemele laser în funcție de cerințele specifice ale acelor atomi. Atomii sunt păstrați în camere vid, iar diferite lasere sunt folosite pentru a-i răci și a-i prinde, în timp ce alte lasere blochează tranzițiile nedorite sau interoghează pe cea dorită folosită în ceas. Toate aceste lasere, până la o duzină în total, trebuie să fie stabilizate la frecvențe precise, iar menținerea lor necesită o supraveghere constantă.

Pentru a construi o versiune mai puțin precisă, dar mai robustă și mai portabilă, a unui ceas optic, CEO-ul și co-fondatorul Vector Atomic Jamil Abo-Shaeer trebuia să adopte o abordare diferită. „În loc să proiectăm sistemul în jurul atomului, am proiectat sistemul în jurul laserelor”, spune el.

Fotografie cu un pieptene de frecvență într-o cutie dreptunghiulară
Un pieptene de frecvență compact, personalizat, folosit pentru a citi frecvența ceasului optic. (Cu amabilitatea: Vector Atomics)

Cele mai dure, cele mai testate lasere existente, explică Abo-Shaeer, sunt cele utilizate în telecomunicații și prelucrarea industrială. Datorită anilor (sau chiar deceniilor) de cercetare și dezvoltare comercială, acestea sunt extrem de compacte și stabile, iar el și echipa sa au ales o specie atomică care li se potrivește: iodul molecular. Această moleculă are tranziții convenabile în apropierea unui laser infraroșu cu frecvență dublată, utilizat în mod obișnuit în prelucrare. Echipa a optat, de asemenea, pentru o configurație simplă cu celule de vapori, care evită răcirea atomilor la temperaturi frigide sau limitarea lor într-un vid ultraînalt.

Rezultatul a fost un ceas optic la cheie, pe care echipa îl numește Evergreen, cu un volum de doar 30 de litri – aproximativ de dimensiunea unui recorder. Deși precizia cronometrarii lui Evergreen este departe de stadiul tehnicii bazate pe laborator, este de 100 de ori mai precisă decât ceasurile cu microunde existente de dimensiuni comparabile. De asemenea, se potrivește cu performanța ceasurilor bazate pe masere cu hidrogen - dispozitive de dimensiunea frigiderelor de tip walk-in care sunt extrem de sensibile la zgomotul ambiental.

Încercări pe mare

În vara lui 2022, un prototip de Evergreen a petrecut trei săptămâni la bordul unei nave pe mare pentru testare. În acest timp, ceasul a funcționat fără nicio intervenție. La întoarcere, echipa a testat performanța ceasului și a constatat că nu s-a degradat semnificativ, în ciuda turbulențelor și a oscilațiilor de temperatură de la bordul navei. „Când s-a întâmplat, m-am gândit că toată lumea ar trebui să stea în picioare și să strige de pe acoperișuri”, spune Hoffman. „Vreau să spun, oamenii au lucrat la aceste ceasuri optice de zeci de ani. Și aceasta a fost prima dată când un ceas optic a funcționat singur, fără interferențe umane, în lumea reală.”

Fotografie cu ceasul optic al Vector Atomic, o cutie gri alungită cu un ecran de afișare și o mână de conectori
Tic tac: Ceasul optic Evergreen al Vector Atomic în cutia sa. (Cu amabilitatea: Vector Atomics)

Potrivit lui Abo-Shaeer, dimensiunea și stabilitatea lui Evergreen deschid calea pentru adoptarea pe scară largă a unor astfel de ceasuri în navigație, mai ales atunci când semnalele GPS sunt blocate sau falsificate; în centre de date și protocoale de telecomunicații; și pentru sincronizarea semnalelor de la detectoare de la distanță în scopuri științifice. În prezent, GPS-ul are o precizie de aproximativ trei metri, dar o sincronizare mai precisă pe sateliți ar putea reduce acest lucru la câțiva centimetri sau mai puțin, permițând vehiculelor autonome să rămână pe benzile lor sau dronelor de livrare să aterizeze pe un balcon. Capacitatea de a tăia timpul în bucăți mai mici ar trebui să permită și comunicații cu lățime de bandă mai mare, adaugă Abo-Shaeer.

Rămâne de văzut dacă acest ceas special este cel care va alimenta următoarea generație de GPS și un transfer mai rapid de date. Dar progresul tehnologic este totuși semnificativ, spune Elizabeth Donley, șeful diviziei de timp și frecvență a Institutului Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST) din Boulder, Colorado. „Există o mulțime de alte tipuri de ceasuri optice care ar putea apărea pe piață în următorul deceniu”, spune Donley, care nu a fost implicat în activitatea Vector Atomic. „Inima acestui lucru este o celulă cu vapori de iod, dar infrastructura poate fi folosită și pentru alte tipuri de ceasuri.”

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii