Bärbar optisk atomklocka gör sin kommersiella debut – Physics World

Bärbar optisk atomklocka gör sin kommersiella debut – Physics World

Tidsstämpel: 12 december 2023 10:00

Foto av fyra jodångceller, som är glaslådor några centimeter långa
Enkel installation: Jodångcellerna som används i Vector Atomics bärbara optiska atomklocka. (Med tillstånd: Vector Atomic)

Atomer är världens mest exakta tidtagare – så mycket att den andra definieras som exakt 9 192 631 770 tickar av en cesiumbaserad atomur. Kommersiellt tillgängliga versioner av dessa atomärt exakta klockor stödjer GPS, navigering, dataöverföring och finansmarknader, och de körs med mikrovågsfrekvenser, eller miljarder tick-tocks per sekund. Efter en dag är deras tidtagning ute med mindre än tio nanosekunder.

Så bra som detta är, men nästa generation av atomur är ännu mer exakt. Dessa labbbaserade konstruktioner körs med optiska frekvenser, vilket innebär att de tickar tiotals biljoner gånger per sekund. Den bästa av dem kan förbli exakta till 10 femtosekunder (10-15 s) efter en dag, eller inom en sekund efter 50 miljarder år. Och snart, för första gången, kommer du att kunna köpa en av dina alldeles egna: Vector Atomic, en start-up baserad i Kalifornien, USA, har lagt första bärbara optiska klockan på marknaden.

"Idag är de enda klockorna du kan köpa mikrovågsklockor", säger Jonathan Hoffman, en programchef vid US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), som finansierade arbetet. "Om du går till den optiska övergången, finns det en enorm vinst i precision, noggrannhet och prestanda, men det kommer vanligtvis också med otrolig komplexitet på samma gång. Att hitta en lycklig kompromiss är den verkliga kampen.”

Att hitta rätt atomer

Den största skillnaden mellan optiska klockor och deras mikrovågsföregångare är lasrar. För att bygga så exakta klockor som möjligt använder forskare de atomer som erbjuder de smalaste atomövergångarna - vanligtvis strontium eller ytterbium - och designar sina lasersystem utifrån dessa atomers speciella krav. Atomerna hålls i vakuumkammare, och olika lasrar används för att kyla och fånga dem, medan andra lasrar blockerar oönskade övergångar eller förhör den önskade som används i klockan. Alla dessa lasrar, upp till ett dussin totalt, måste stabiliseras till exakta frekvenser, och att underhålla dem kräver konstant övervakning.

För att bygga en mindre exakt, men mer robust och bärbar version av en optisk klocka, Vector Atomic VD och medgrundare Jamil Abo-Shaeer var tvungen att ta ett annat tillvägagångssätt. "Istället för att designa systemet runt atomen, designade vi systemet runt lasrarna", säger han.

Foto av en frekvenskam i en rektangulär låda
En specialbyggd kompakt frekvenskam som används för att läsa ut den optiska klockfrekvensen. (Med tillstånd: Vector Atomics)

De tuffaste, mest beprövade lasrarna som finns, förklarar Abo-Shaeer, är de som används inom telekommunikation och industriell bearbetning. Tack vare år (eller till och med årtionden) av kommersiell forskning och utveckling är de extremt kompakta och stabila, och han och hans team valde en atomart som passar dem: molekylärt jod. Denna molekyl har bekväma övergångar nära en frekvensfördubblad infraröd laser som vanligtvis används vid bearbetning. Teamet valde också en enkel ångcellsuppställning som undviker att kyla atomerna till kyliga temperaturer eller begränsa dem i ett ultrahögt vakuum.

Resultatet blev en nyckelfärdig optisk klocka, som teamet kallar Evergreen, med en volym på bara 30 liter – ungefär lika stor som en skivspelare. Även om precisionen i Evergreens timing är långt ifrån den labbbaserade tekniken, är den 100 gånger mer exakt än befintliga mikrovågsklockor av jämförbar storlek. Den matchar också prestandan hos klockor baserade på vätgasmasrar – enheter som är lika stora som walk-in-kylskåp som är extremt känsliga för omgivningsljud.

Sjöprövningar

Sommaren 2022 tillbringade en prototyp av Evergreen tre veckor ombord på ett fartyg till sjöss för testning. Under denna tid fungerade klockan utan ingrepp. Vid återkomsten testade teamet klockans prestanda och fann att den inte hade försämrats nämnvärt, trots turbulens och temperatursvängningar ombord på fartyget. "När det hände trodde jag att alla borde stå upp och skrika från hustaken", säger Hoffman. "Jag menar, folk har arbetat med dessa optiska klockor i decennier. Och det här var första gången en optisk klocka gick på egen hand utan mänsklig inblandning, ute i den verkliga världen."

Foto av Vector Atomics optiska klocka, en avlång grå låda med bildskärm och en handfull kontakter
Tick ​​tock: Vector Atomics Evergreen optiska klocka i sin låda. (Med tillstånd: Vector Atomics)

Enligt Abo-Shaeer banar Evergreens storlek och stabilitet vägen för utbredd användning av sådana klockor i navigering, särskilt när GPS-signaler är blockerade eller förfalskade; i datacenter och telekommunikationsprotokoll; och för synkronisering av signaler från fjärrdetektorer för vetenskapliga ändamål. För närvarande är GPS exakt till cirka tre meter, men mer exakt timing på satelliter kan få ner det till några centimeter eller mindre, vilket gör att autonoma fordon kan stanna i sina körfält eller leveransdrönare att landa på en balkong. Att kunna skära upp tiden i mindre bitar bör också möjliggöra kommunikation med högre bandbredd, tillägger Abo-Shaeer.

Om just denna klocka är den som kommer att driva nästa generations GPS och snabbare dataöverföring återstår att se. Men de tekniska framstegen är ändå betydande, säger Elizabeth Donley, chef för tid- och frekvensdivisionen för US National Institute of Standards and Technology (NIST) i Boulder, Colorado. "Det finns potentiellt många andra typer av optiska klockor som kan komma på marknaden under det kommande decenniet", säger Donley, som inte var involverad i Vector Atomics arbete. "Hjärtat i den här saken är en jodångcell, men infrastrukturen kan också användas för andra typer av klockor."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden