Prenosna optična atomska ura predstavlja svoj komercialni prvenec – Physics World

Prenosna optična atomska ura predstavlja svoj komercialni prvenec – Physics World

Časovni žig: 12. december 2023 10:00

Fotografija štirih jodnih parnih celic, ki so nekaj centimetrov dolge steklene škatle
Preprosta nastavitev: celice z jodovimi parami, ki se uporabljajo v prenosni optični atomski uri podjetja Vector Atomic. (Z dovoljenjem: Vector Atomic)

Atomi so najbolj natančni merilci časa na svetu – tako zelo, da je sekunda definirana kot točno 9 192 631 770 tikkov atomske ure na osnovi cezija. Komercialno dostopne različice teh atomsko natančnih ur podpirajo GPS, navigacijo, prenos podatkov in finančne trge ter delujejo na mikrovalovnih frekvencah ali milijardah tik-takkov na sekundo. Po enem dnevu njihovo merjenje časa zaostaja za manj kot deset nanosekund.

Čeprav je to dobro, je naslednja generacija atomskih ur še bolj natančna. Te laboratorijske konstrukcije delujejo na optičnih frekvencah, kar pomeni, da tiktakajo več deset bilijonov krat na sekundo. Najboljši med njimi lahko ostanejo natančni do 10 femtosekund (10-15 s) po enem dnevu ali v sekundi po 50 milijardah let. In kmalu boste lahko prvič kupili enega izmed svojih: Vector Atomic, start-up s sedežem v Kaliforniji v ZDA, je postavil prva prenosna optična ura na trgu.

»Danes so edine ure, ki jih lahko kupite, mikrovalovne ure,« pravi Jonathan Hoffman, vodja programa pri ameriški agenciji za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA), ki je financirala delo. »Če greste k optičnemu prehodu, obstaja velikanska pridobitev v natančnosti, točnosti in zmogljivosti, vendar je običajno hkrati tudi neverjetno zapleten. Iskanje srečnega kompromisa je prava bitka.”

Iskanje pravih atomov

Glavna razlika med optičnimi urami in njihovimi mikrovalovnimi predhodniki so laserji. Za izdelavo čim natančnejših ur znanstveniki uporabljajo atome, ki ponujajo najožje atomske prehode – običajno stroncij ali iterbij – in oblikujejo svoje laserske sisteme glede na posebne zahteve teh atomov. Atomi so shranjeni v vakuumskih komorah, za njihovo hlajenje in lovljenje pa se uporabljajo različni laserji, medtem ko drugi laserji blokirajo neželene prehode ali zaslišijo želenega, ki se uporablja v uri. Vse te laserje, skupaj do ducat, je treba stabilizirati na natančne frekvence, njihovo vzdrževanje pa zahteva stalni nadzor.

Izdelati manj natančno, a bolj robustno in prenosljivo različico optične ure, izvršni direktor in soustanovitelj podjetja Vector Atomic Jamil Abo-Shaeer morali ubrati drugačen pristop. "Namesto oblikovanja sistema okoli atoma, smo zasnovali sistem okoli laserjev," pravi.

Fotografija frekvenčnega glavnika v pravokotni škatli
Po meri izdelan kompakten frekvenčni glavnik, ki se uporablja za odčitavanje frekvence optične ure. (Z dovoljenjem: Vector Atomics)

Abo-Shaeer pojasnjuje, da so najtrpežnejši in najbolj časovno preizkušeni laserji, ki se uporabljajo v telekomunikacijah in industrijski strojni obdelavi. Po zaslugi let (ali celo desetletij) komercialnih raziskav in razvoja so izjemno kompaktni in stabilni, on in njegova ekipa pa sta izbrala atomsko vrsto, ki jim ustreza: molekularni jod. Ta molekula ima priročne prehode v bližini infrardečega laserja s podvojeno frekvenco, ki se običajno uporablja pri strojni obdelavi. Ekipa se je odločila tudi za preprosto nastavitev parnih celic, ki se izogiba ohlajanju atomov na nizke temperature ali njihovemu omejevanju v ultravisokem vakuumu.

Rezultat je bila optična ura na ključ, ki jo ekipa imenuje Evergreen, s prostornino le 30 litrov – približno velikost gramofona. Čeprav je natančnost Evergreenovega merjenja časa daleč od laboratorijskega stanja tehnike, je 100-krat natančnejša od obstoječih mikrovalovnih ur primerljive velikosti. Prav tako se ujema z zmogljivostjo ur, ki temeljijo na vodikovih maserjih – napravah velikosti vgradnih hladilnikov, ki so izjemno občutljive na okoljski hrup.

Morske preizkušnje

Poleti 2022 je prototip Evergreena preživel tri tedne na krovu ladje na morju za testiranje. V tem času je ura delovala brez posegov. Po vrnitvi je ekipa preizkusila delovanje ure in ugotovila, da se kljub turbulencam in temperaturnim nihanjem na ladji ni bistveno poslabšala. "Ko se je to zgodilo, sem mislil, da bi morali vsi vstati in kričati s streh," pravi Hoffman. »Mislim, ljudje že desetletja delajo na teh optičnih urah. In to je bilo prvič, da je optična ura delovala sama, brez človeškega vmešavanja, v resničnem svetu.«

Fotografija optične ure Vector Atomic, podolgovate sive škatle z zaslonom in peščico priključkov
Tik-tak: optična ura Evergreen podjetja Vector Atomic v svoji škatli. (Z dovoljenjem: Vector Atomics)

Po besedah ​​Abo-Shaeerja velikost in stabilnost Evergreena utirata pot široki uporabi takih ur v navigaciji, zlasti kadar so signali GPS blokirani ali ponarejeni; v podatkovnih centrih in telekomunikacijskih protokolih; in za sinhronizacijo signalov iz oddaljenih detektorjev za znanstvene namene. Trenutno je GPS natančen na približno tri metre, toda natančnejše merjenje časa na satelitih bi to lahko znižalo na nekaj centimetrov ali manj, kar bi omogočilo avtonomnim vozilom, da ostanejo na svojih pasovih, ali dostavnim dronom, da pristanejo na balkonu. Možnost sekljanja časa na manjše koščke bi morala omogočati tudi komunikacijo z večjo pasovno širino, dodaja Abo-Shaeer.

Ali bo prav ta ura tista, ki bo poganjala naslednjo generacijo GPS-a in hitrejši prenos podatkov, bomo še videli. Toda tehnološki napredek je kljub temu pomemben, pravi Elizabeth Donley, vodja oddelka za čas in frekvenco ameriškega Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) v Boulderju v Koloradu. "Potencialno obstaja veliko drugih vrst optičnih ur, ki bi lahko prišle na trg v naslednjem desetletju," pravi Donley, ki ni bil vključen v delo Vector Atomic. "Srce te stvari je celica z jodovimi hlapi, vendar se lahko infrastruktura uporablja tudi za druge vrste ur."

Časovni žig:

Več od Svet fizike