Đồng hồ nguyên tử quang học cầm tay ra mắt thương mại – Thế Giới Vật Lý

Đồng hồ nguyên tử quang học cầm tay ra mắt thương mại – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: Ngày 12 tháng 2023 năm 10 00:XNUMX sáng

Hình ảnh bốn tế bào hơi iốt, là những hộp thủy tinh dài vài cm
Thiết lập đơn giản: Các tế bào hơi iốt được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử quang học di động của Vector Atomic. (Lịch sự: Vector nguyên tử)

Nguyên tử là máy đo thời gian chính xác nhất thế giới – đến mức giây được định nghĩa chính xác bằng 9 192 631 770 tích tắc của đồng hồ nguyên tử dựa trên caesium. Các phiên bản thương mại hóa của những chiếc đồng hồ chính xác đến mức nguyên tử này làm nền tảng cho GPS, điều hướng, truyền dữ liệu và thị trường tài chính, đồng thời chúng chạy ở tần số vi sóng hoặc hàng tỷ tích tắc mỗi giây. Sau một ngày, thời gian của họ chỉ còn chưa đầy XNUMX nano giây.

Tuy nhiên, tốt như thế này, thế hệ đồng hồ nguyên tử tiếp theo thậm chí còn chính xác hơn. Những công trình xây dựng trong phòng thí nghiệm này chạy ở tần số quang học, nghĩa là chúng đạt tốc độ hàng chục nghìn tỷ lần mỗi giây. Loại tốt nhất trong số chúng có thể duy trì độ chính xác đến 10 femto giây (10-15 s) sau một ngày, hoặc trong vòng một giây sau 50 tỷ năm. Và chẳng bao lâu nữa, lần đầu tiên, bạn sẽ có thể mua một chiếc của riêng mình: Vector Atomic, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại California, Hoa Kỳ, đã đưa đồng hồ quang học cầm tay đầu tiên trên thị trường.

“Ngày nay loại đồng hồ duy nhất bạn có thể mua là đồng hồ vi sóng,” nói Jonathan Hoffman, người quản lý chương trình tại Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng Hoa Kỳ (DARPA), nơi tài trợ cho công việc này. “Nếu bạn chuyển sang quá trình chuyển đổi quang học, bạn sẽ thấy độ chính xác, độ chính xác và hiệu suất tăng lên rất nhiều, nhưng đồng thời nó cũng thường đi kèm với độ phức tạp đáng kinh ngạc. Tìm kiếm một sự thỏa hiệp vui vẻ mới là cuộc chiến thực sự.”

Tìm đúng nguyên tử

Sự khác biệt chính giữa đồng hồ quang học và tiền thân của chúng là vi sóng là tia laser. Để chế tạo những chiếc đồng hồ chính xác nhất có thể, các nhà khoa học sử dụng các nguyên tử mang lại sự chuyển tiếp nguyên tử hẹp nhất – thường là strontium hoặc ytterbium – và thiết kế hệ thống laser của họ xung quanh các yêu cầu cụ thể của các nguyên tử đó. Các nguyên tử được giữ trong buồng chân không và các tia laser khác nhau được sử dụng để làm mát và bẫy chúng, trong khi các tia laser khác chặn các chuyển đổi không mong muốn hoặc thẩm vấn chuyển đổi mong muốn được sử dụng trong đồng hồ. Tất cả các tia laser này, tổng cộng có tới hàng chục tia laser, cần được ổn định ở tần số chính xác và việc duy trì chúng đòi hỏi phải có sự giám sát liên tục.

Để xây dựng một phiên bản đồng hồ quang học kém chính xác hơn nhưng mạnh mẽ hơn và di động hơn, Giám đốc điều hành và đồng sáng lập của Vector Atomic Jamil Abo-Shaeer đã phải thực hiện một cách tiếp cận khác. “Thay vì thiết kế hệ thống xung quanh nguyên tử, chúng tôi thiết kế hệ thống xung quanh tia laser,” ông nói.

Hình ảnh lược tần số hộp chữ nhật
Một lược tần số nhỏ gọn được chế tạo tùy chỉnh dùng để đọc tần số đồng hồ quang. (Được phép: Vector Atomics)

Abo-Shaeer giải thích, loại laser bền nhất, được thử nghiệm qua thời gian nhiều nhất hiện nay là những loại được sử dụng trong viễn thông và gia công công nghiệp. Nhờ nhiều năm (hoặc thậm chí nhiều thập kỷ) nghiên cứu & phát triển thương mại, chúng cực kỳ nhỏ gọn và ổn định, đồng thời ông và nhóm của mình đã chọn một loại nguyên tử phù hợp với chúng: iốt phân tử. Phân tử này có sự chuyển tiếp thuận tiện gần tia laser hồng ngoại nhân đôi tần số thường được sử dụng trong gia công. Đội nghiên cứu còn chọn một thiết lập tế bào hơi đơn giản để tránh làm lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ lạnh giá hoặc giam giữ chúng trong chân không cực cao.

Kết quả là một chiếc đồng hồ quang chìa khóa trao tay mà nhóm nghiên cứu gọi là Evergreen, có thể tích chỉ 30 lít – gần bằng kích thước của một máy ghi âm. Mặc dù độ chính xác về thời gian của Evergreen khác xa so với mức hiện đại trong phòng thí nghiệm, nhưng nó chính xác hơn 100 lần so với các đồng hồ vi sóng hiện có có kích thước tương đương. Nó cũng phù hợp với hiệu suất của các đồng hồ dựa trên maser hydro – thiết bị có kích thước bằng tủ lạnh không cửa ngăn cực kỳ nhạy cảm với tiếng ồn môi trường.

Thử nghiệm trên biển

Vào mùa hè năm 2022, nguyên mẫu của Evergreen đã trải qua ba tuần trên tàu trên biển để thử nghiệm. Trong thời gian này, đồng hồ hoạt động mà không có sự can thiệp nào. Khi trở về, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra hiệu suất của đồng hồ và nhận thấy nó không bị suy giảm đáng kể, bất chấp sự thay đổi nhiệt độ và nhiễu loạn trên tàu. Hoffman nói: “Khi sự việc xảy ra, tôi nghĩ mọi người nên đứng lên và la hét từ trên mái nhà”. “Ý tôi là, người ta đã nghiên cứu những chiếc đồng hồ quang học này trong nhiều thập kỷ. Và đây là lần đầu tiên một chiếc đồng hồ quang học tự chạy mà không có sự can thiệp của con người trong thế giới thực.”

Ảnh đồng hồ quang của Vector Atomic, một hộp thuôn dài màu xám có màn hình hiển thị và một số đầu nối
Tick ​​tock: Đồng hồ quang học Evergreen của Vector Atomic trong hộp. (Được phép: Vector Atomics)

Theo Abo-Shaeer, kích thước và độ ổn định của Evergreen mở đường cho việc áp dụng rộng rãi các đồng hồ như vậy trong điều hướng, đặc biệt khi tín hiệu GPS bị chặn hoặc giả mạo; trong các trung tâm dữ liệu và giao thức viễn thông; và để đồng bộ hóa tín hiệu từ các máy dò từ xa cho mục đích khoa học. Hiện tại, GPS chính xác đến khoảng ba mét, nhưng thời gian chính xác hơn trên vệ tinh có thể giảm xuống vài cm hoặc ít hơn, cho phép các phương tiện tự động đi trên làn đường của mình hoặc máy bay không người lái giao hàng hạ cánh trên ban công. Abo-Shaeer cho biết thêm, khả năng chia thời gian thành các phần nhỏ hơn cũng sẽ cho phép liên lạc với băng thông cao hơn.

Liệu chiếc đồng hồ đặc biệt này có phải là chiếc đồng hồ sẽ cung cấp năng lượng cho thế hệ GPS tiếp theo và truyền dữ liệu nhanh hơn hay không vẫn còn phải xem. Tuy nhiên, tiến bộ công nghệ vẫn rất đáng kể, nói Elizabeth Donley, người đứng đầu bộ phận thời gian và tần số của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) ở Boulder, Colorado. Donley, người không tham gia vào công việc của Vector Atomic, cho biết: “Có khả năng có rất nhiều loại đồng hồ quang học khác có thể xuất hiện trên thị trường trong thập kỷ tới”. “Trái tim của thiết bị này là một tế bào hơi iốt, nhưng cơ sở hạ tầng cũng có thể được sử dụng cho các loại đồng hồ khác.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý