Taşınabilir optik atom saati ticari başlangıcını yapıyor – Fizik Dünyası

Taşınabilir optik atom saati ticari başlangıcını yapıyor – Fizik Dünyası

Zaman Damgası: 12 Aralık 2023 10:00

Birkaç santimetre uzunluğunda cam kutular olan dört iyot buhar hücresinin fotoğrafı
Basit kurulum: Vector Atomic'in taşınabilir optik atom saatinde kullanılan iyot buhar hücreleri. (Nezaket: Vektör Atomik)

Atomlar dünyanın en hassas zaman tutucularıdır; öyle ki saniye, sezyum bazlı bir atom saatinin tam olarak 9 192 631 770 tik takları olarak tanımlanır. Atomik açıdan hassas olan bu saatlerin ticari olarak temin edilebilen versiyonları, GPS, navigasyon, veri aktarımı ve finansal piyasaları desteklemektedir ve mikrodalga frekanslarında veya saniyede milyarlarca tik-tak ile çalışmaktadır. Bir günün ardından zaman işleyişi on nanosaniyeden daha az bir farkla bozuluyor.

Bu ne kadar iyi olsa da, yeni nesil atom saatleri çok daha hassastır. Bu laboratuvar tabanlı yapılar optik frekanslarda çalışıyor, yani saniyede on trilyonlarca kez işaretliyorlar. Bunların en iyileri 10 femtosaniyeye kadar hassas kalabilir (10-15 s) bir gün sonra veya 50 milyar yıl sonra bir saniye içinde. Ve yakında, ilk defa, kendinize ait bir tane satın alabileceksiniz: Kaliforniya, ABD merkezli bir start-up olan Vector Atomic, piyasadaki ilk taşınabilir optik saat.

"Bugün satın alabileceğiniz tek saat mikrodalga saatleridir" diyor Jonathan HoffmanÇalışmayı finanse eden ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı'nda (DARPA) program yöneticisi. "Optik geçişe giderseniz hassasiyet, doğruluk ve performansta devasa bir kazanç elde edersiniz, ancak aynı zamanda genellikle inanılmaz karmaşıklığı da beraberinde getirir. Mutlu bir uzlaşma bulmak gerçek savaştır.

Doğru atomları bulma

Optik saatler ile mikrodalga öncülleri arasındaki temel fark lazerlerdir. Mümkün olan en hassas saatleri oluşturmak için bilim adamları, en dar atom geçişlerini sunan atomları (genellikle stronsiyum veya iterbiyum) kullanır ve lazer sistemlerini bu atomların özel gereksinimlerine göre tasarlarlar. Atomlar vakum odalarında tutulur ve onları soğutmak ve hapsetmek için farklı lazerler kullanılır, diğer lazerler ise istenmeyen geçişleri engeller veya saatte kullanılan istenilen geçişi sorgular. Toplamda bir düzine kadar tüm bu lazerlerin hassas frekanslara göre stabilize edilmesi gerekiyor ve bunların bakımı sürekli denetim gerektiriyor.

Vector Atomic CEO'su ve kurucu ortağı, optik saatin daha az hassas ancak daha sağlam ve taşınabilir bir versiyonunu oluşturmak için Jamil Abo-Shaeer farklı bir yaklaşım benimsemek zorundaydı. "Sistemi atom etrafında tasarlamak yerine, sistemi lazerler etrafında tasarladık" diyor.

Dikdörtgen kutudaki frekans tarağının fotoğrafı
Optik saat frekansını okumak için kullanılan özel yapım kompakt frekans tarağı. (Nezaket: Vektör Atomik)

Abo-Shaeer, var olan en dayanıklı, en çok test edilmiş lazerlerin telekomünikasyon ve endüstriyel işlemede kullanılan lazerler olduğunu açıklıyor. Yıllar süren (hatta on yıllar süren) ticari Ar-Ge sayesinde son derece kompakt ve istikrarlılar ve kendisi ve ekibi onlara uygun bir atom türü seçti: moleküler iyot. Bu molekül, işlemede yaygın olarak kullanılan frekansı iki katına çıkan kızılötesi lazerin yakınında uygun geçişlere sahiptir. Ekip ayrıca atomların çok soğuk sıcaklıklara kadar soğutulmasını veya çok yüksek bir vakumda hapsedilmesini önleyen basit bir buhar hücresi düzeneğini tercih etti.

Sonuçta ortaya, ekibin Evergreen adını verdiği, yalnızca 30 litre hacimli, kabaca bir plakçalar boyutunda, anahtar teslimi bir optik saat çıktı. Evergreen'in zamanlama hassasiyeti laboratuvar bazlı en ileri teknolojiden uzak olsa da, benzer boyuttaki mevcut mikrodalga saatlerden 100 kat daha hassastır. Aynı zamanda hidrojen ustalarına dayalı saatlerin (çevresel gürültüye karşı son derece duyarlı, gömme buzdolapları boyutunda cihazlar) performansıyla da eşleşiyor.

Deniz denemeleri

2022 yazında, Evergreen'in bir prototipi test için denizdeki bir gemide üç hafta geçirdi. Bu süre zarfında saat herhangi bir müdahale olmaksızın çalıştı. Ekip, dönüşte saatin performansını test etti ve gemideki türbülansa ve sıcaklık dalgalanmalarına rağmen saatin önemli ölçüde bozulmadığını gördü. Hoffman, "Bu olduğunda herkesin ayağa kalkıp çatılardan bağırması gerektiğini düşündüm" diyor. “Yani insanlar bu optik saatler üzerinde onlarca yıldır çalışıyorlar. Ve bu, gerçek dünyada ilk kez bir optik saatin insan müdahalesi olmadan kendi başına çalışmasıydı.”

Vector Atomic'in optik saatinin fotoğrafı, görüntü ekranı ve bir avuç konektörü olan dikdörtgen gri bir kutu
Tik tak: Vector Atomic'in Evergreen optik saati kutusundadır. (Nezaket: Vektör Atomik)

Abo-Shaeer'e göre, Evergreen'in boyutu ve kararlılığı, özellikle GPS sinyalleri engellendiğinde veya sahtekarlık yaptığında, bu tür saatlerin navigasyonda yaygın olarak benimsenmesine yol açıyor; veri merkezlerinde ve telekomünikasyon protokollerinde; ve uzak dedektörlerden gelen sinyallerin bilimsel amaçlarla senkronize edilmesi için. Şu anda GPS yaklaşık üç metreye kadar hassastır, ancak uydulardaki daha hassas zamanlama, bunu birkaç santimetreye veya daha aza indirebilir ve otonom araçların kendi şeritlerinde kalmasına veya teslimat dronlarının balkona inmesine olanak sağlayabilir. Abo-Shaeer, zamanı daha küçük parçalara ayırabilmenin aynı zamanda daha yüksek bant genişliği iletişimine de olanak sağlaması gerektiğini ekliyor.

Bu özel saatin yeni nesil GPS'e güç verecek ve daha hızlı veri aktarımı sağlayacak saat olup olmadığı henüz bilinmiyor. Ancak teknolojik ilerleme yine de önemli, diyor Elizabeth DonleyBoulder, Colorado'daki ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nün (NIST) zaman ve frekans bölümü başkanı. Vector Atomic'in çalışmalarına dahil olmayan Donley, "Önümüzdeki on yıl içinde piyasaya çıkabilecek pek çok farklı türde optik saatin potansiyel olarak mevcut olduğunu" söylüyor. "Bu şeyin kalbi bir iyot buhar hücresidir, ancak altyapı diğer saat türleri için de kullanılabilir."

Zaman Damgası:

Den fazla Fizik dünyası