นาฬิกาอะตอมแบบออปติคัลแบบพกพาเปิดตัวในเชิงพาณิชย์ – Physics World

นาฬิกาอะตอมแบบออปติคัลแบบพกพาเปิดตัวในเชิงพาณิชย์ – Physics World

Time Stamp: 12 ธันวาคม 2023 10:00 น.

ภาพถ่ายเซลล์ไอไอโอดีน XNUMX เซลล์ ซึ่งเป็นกล่องแก้วที่มีความยาวไม่กี่เซนติเมตร
ติดตั้งง่าย: เซลล์ไอโอดีนที่ใช้ในนาฬิกาอะตอมแบบออปติคอลแบบพกพาของ Vector Atomic (มารยาท: เวกเตอร์อะตอม)

อะตอมเป็นผู้จับเวลาที่แม่นยำที่สุดในโลก มากเสียจนวินาทีนั้นถูกกำหนดให้เป็น 9 192 631 770 ขีดของนาฬิกาอะตอมที่ใช้ซีเซียมพอดี นาฬิกาที่มีความแม่นยำระดับอะตอมที่มีจำหน่ายในท้องตลาดเหล่านี้สนับสนุน GPS การนำทาง การถ่ายโอนข้อมูล และตลาดการเงิน และทำงานที่ความถี่ไมโครเวฟ หรือติ๊กต็อกนับพันล้านต่อวินาที หลังจากผ่านไปหนึ่งวัน การบอกเวลาจะหมดไปน้อยกว่าสิบนาโนวินาที

แม้ว่านาฬิกาอะตอมรุ่นต่อไปจะมีความแม่นยำมากยิ่งขึ้นก็ตาม โครงสร้างในห้องปฏิบัติการเหล่านี้ทำงานที่ความถี่แสง ซึ่งหมายความว่าพวกมันติ๊กหลายสิบล้านล้านครั้งต่อวินาที สิ่งที่ดีที่สุดสามารถคงความแม่นยำได้ถึง 10 femtoseconds (10-15 s) หลังจากหนึ่งวัน หรือภายในหนึ่งวินาทีหลังจาก 50 พันล้านปี และเร็วๆ นี้ เป็นครั้งแรกที่คุณจะสามารถซื้อสินค้าของคุณเองได้: Vector Atomic ซึ่งเป็นบริษัทสตาร์ทอัพในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา ได้วาง นาฬิกาออปติคอลแบบพกพาเครื่องแรกในตลาด.

“วันนี้นาฬิกาเดียวที่คุณสามารถซื้อได้คือนาฬิกาไมโครเวฟ” กล่าว โจนาธานฮอฟแมนผู้จัดการโครงการของสำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงกลาโหมสหรัฐ (DARPA) ซึ่งเป็นผู้ให้ทุนสนับสนุนงานนี้ “หากคุณใช้การเปลี่ยนผ่านเชิงแสง ความแม่นยำ ความแม่นยำ และประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก แต่โดยทั่วไปแล้วยังมาพร้อมกับความซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อในเวลาเดียวกัน การประนีประนอมอย่างมีความสุขคือการต่อสู้ที่แท้จริง”

การค้นหาอะตอมที่เหมาะสม

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างนาฬิกาแบบออปติคอลกับไมโครเวฟรุ่นก่อนคือเลเซอร์ ในการสร้างนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นักวิทยาศาสตร์ใช้อะตอมที่มีการเปลี่ยนผ่านของอะตอมที่แคบที่สุด ซึ่งมักจะเป็นสตรอนเซียมหรืออิตเทอร์เบียม และออกแบบระบบเลเซอร์ตามข้อกำหนดเฉพาะของอะตอมเหล่านั้น อะตอมจะถูกเก็บไว้ในห้องสุญญากาศ และใช้เลเซอร์ต่างๆ เพื่อทำให้เย็นลงและดักจับพวกมัน ในขณะที่เลเซอร์อื่นๆ จะปิดกั้นการเปลี่ยนผ่านที่ไม่พึงประสงค์หรือซักถามสิ่งที่ต้องการที่ใช้ในนาฬิกา เลเซอร์ทั้งหมดเหล่านี้รวมกันมากถึงสิบโหล จำเป็นต้องได้รับความเสถียรให้มีความถี่ที่แม่นยำ และการบำรุงรักษาต้องมีการควบคุมดูแลอย่างต่อเนื่อง

เพื่อสร้างนาฬิกาออปติคัลเวอร์ชันที่แม่นยำน้อยลง แต่แข็งแกร่งและพกพาได้มากขึ้น Vector Atomic CEO และผู้ร่วมก่อตั้ง จามิล อาโบ-เชเออร์ ต้องใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป “แทนที่จะออกแบบระบบรอบๆ อะตอม เราได้ออกแบบระบบรอบๆ เลเซอร์” เขากล่าว

ภาพถ่ายหวีความถี่ในกล่องสี่เหลี่ยม
หวีความถี่ขนาดกะทัดรัดที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษใช้เพื่ออ่านความถี่สัญญาณนาฬิกาแบบออปติคอล (เอื้อเฟื้อโดย: Vector Atomics)

Abo-Shaeer อธิบายว่าเลเซอร์ที่ทนทานที่สุดและผ่านการทดสอบตามเวลามากที่สุดในปัจจุบันคือเลเซอร์ที่ใช้ในโทรคมนาคมและเครื่องจักรกลอุตสาหกรรม ต้องขอบคุณการวิจัยและพัฒนาเชิงพาณิชย์เป็นเวลาหลายปี (หรือหลายทศวรรษ) พวกมันจึงมีขนาดกะทัดรัดและมีเสถียรภาพอย่างมาก และเขาและทีมงานของเขาได้เลือกสายพันธุ์อะตอมที่เหมาะกับพวกมัน นั่นก็คือ ไอโอดีนโมเลกุล โมเลกุลนี้มีการเปลี่ยนผ่านที่สะดวกใกล้กับเลเซอร์อินฟราเรดที่มีความถี่สองเท่าซึ่งมักใช้ในการตัดเฉือน ทีมงานยังเลือกใช้การตั้งค่าเซลล์ไอแบบง่ายๆ เพื่อหลีกเลี่ยงการทำให้อะตอมเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่เย็นจัดหรือกักขังพวกมันไว้ในสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษ

ผลลัพธ์ที่ได้คือนาฬิกาแบบออปติคัลแบบครบวงจร ซึ่งทีมงานเรียกว่าเอเวอร์กรีน ซึ่งมีปริมาตรเพียง 30 ลิตร ซึ่งมีขนาดประมาณเครื่องเล่นแผ่นเสียง แม้ว่าความแม่นยำของการจับเวลาของ Evergreen นั้นยังห่างไกลจากความทันสมัยในห้องปฏิบัติการ แต่ก็มีความแม่นยำมากกว่านาฬิกาไมโครเวฟที่มีขนาดใกล้เคียงกันถึง 100 เท่า นอกจากนี้ยังปรับเทียบประสิทธิภาพของนาฬิกาที่ใช้ไฮโดรเจนเมเซอร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีขนาดเท่ากับตู้เย็นแบบวอล์กอินซึ่งมีความไวต่อเสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อมอย่างมาก

การทดลองทางทะเล

ในฤดูร้อนปี 2022 เรือต้นแบบของ Evergreen ใช้เวลาสามสัปดาห์บนเรือในทะเลเพื่อทำการทดสอบ ในช่วงเวลานี้ นาฬิกาทำงานโดยไม่มีการแทรกแซงใดๆ เมื่อกลับมา ทีมงานได้ทดสอบประสิทธิภาพของนาฬิกาและพบว่านาฬิกาไม่ได้ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ แม้ว่าบนเรือจะมีความปั่นป่วนและอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงก็ตาม “เมื่อมันเกิดขึ้น ฉันคิดว่าทุกคนควรยืนขึ้นและตะโกนจากหลังคา” ฮอฟฟ์แมนกล่าว “ฉันหมายถึง ผู้คนทำงานกับนาฬิกาออปติคอลเหล่านี้มานานหลายทศวรรษแล้ว และนี่เป็นครั้งแรกที่นาฬิกาแบบออปติคัลทำงานด้วยตัวเองโดยไม่มีการรบกวนจากมนุษย์ในโลกแห่งความเป็นจริง”

ภาพถ่ายนาฬิกาออปติคัลของ Vector Atomic กล่องสีเทาทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าพร้อมหน้าจอแสดงผลและขั้วต่อจำนวนหนึ่ง
ติ๊กต็อก: นาฬิกาแสงเอเวอร์กรีนของ Vector Atomic ในกล่อง (เอื้อเฟื้อโดย: Vector Atomics)

จากข้อมูลของ Abo-Shaeer ขนาดและความเสถียรของ Evergreen ปูทางไปสู่การใช้นาฬิกาดังกล่าวในการนำทางอย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสัญญาณ GPS ถูกบล็อกหรือปลอมแปลง ในศูนย์ข้อมูลและโปรโตคอลโทรคมนาคม และสำหรับการซิงโครไนซ์สัญญาณจากเครื่องตรวจจับระยะไกลเพื่อวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์ ปัจจุบัน GPS มีความแม่นยำประมาณ XNUMX เมตร แต่การกำหนดเวลาที่แม่นยำยิ่งขึ้นบนดาวเทียมอาจทำให้ระยะทางนั้นลดลงเหลือไม่กี่เซนติเมตรหรือน้อยกว่านั้น ทำให้ยานพาหนะที่เป็นอิสระอยู่ในเลนหรือโดรนส่งของลงจอดที่ระเบียง Abo-Shaeer กล่าวเสริมว่า ความสามารถในการแบ่งเวลาออกเป็นชิ้นเล็กๆ ควรช่วยให้มีการสื่อสารแบนด์วิธที่สูงขึ้น

นาฬิกาเรือนนี้จะเป็นนาฬิกาที่จะขับเคลื่อน GPS รุ่นต่อไปหรือไม่ และการถ่ายโอนข้อมูลที่เร็วขึ้นยังคงต้องรอดูกันต่อไป แต่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีก็มีความสำคัญเช่นกัน เอลิซาเบธ ดอนลีย์หัวหน้าแผนกเวลาและความถี่ของสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (NIST) ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโลราโด Donley ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานของ Vector Atomic กล่าวว่า "อาจมีนาฬิกาแบบออปติกอื่นๆ อีกมากมายที่อาจออกสู่ตลาดในทศวรรษหน้า" “หัวใจของสิ่งนี้คือเซลล์ไอไอโอดีน แต่โครงสร้างพื้นฐานสามารถนำไปใช้กับนาฬิกาประเภทอื่นได้เช่นกัน”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์