Optische Atomuhren können die Genauigkeit der Zeit und die geografische Position tausendmals in unseren Mobiltelefonen, Computern und GPS -Systemen erhöhen. Sie sind jedoch derzeit zu groß und komplex, um in der Gesellschaft weit verbreitet zu sein. Jetzt hat ein Forschungsteam der Purdue University, USA und der Chalmers University of Technology, Schweden, eine Technologie entwickelt, die mit Hilfe von On-Chip-Mikrokomben ultra-spezifische optische Atomtaktsysteme erheblich kleiner und zugänglicher machen könnte-zugänglicher-zugänglicher-zugänglicher–zugänglicher–zugänglicher–zugänglicher–zugänglicher–zugänglicher–zugänglicher– mit erheblichen Vorteilen für die Navigation, autonome Fahrzeuge und GEO-Datenüberwachung.
Heute können unsere Mobiltelefone, Computer und GPS -Systeme dank der über 400 Atomuhren weltweit sehr genaue Anzeichen und Positionierung geben. Alle Arten von Uhren – sei es mechanisch, atomic oder eine Smartwatch – bestehen aus zwei Teilen: einem Oszillator und einem Zähler. Der Oszillator liefert eine periodische Variation einer bekannten Frequenz über die Zeit, während der Zähler die Anzahl der Zyklen des Oszillators zählt. Atomuhren zählen die Schwingungen vibrierender Atome, die zwischen zwei Energiezuständen mit sehr präziser Frequenz wechseln.
Die meisten Atomuhren verwenden Mikrowellenfrequenzen, um diese Energieschwingungen in Atomen zu induzieren. In den letzten Jahren haben Forscher auf diesem Gebiet die Möglichkeit untersucht, Laser stattdessen optisch Oszillationen zu induzieren. Genau wie ein Herrscher mit einer großen Anzahl von Zecken pro Zentimeter ermöglichen optische Atomuhren, eine Sekunde in noch mehr Zeitfraktionen zu unterteilen, was zu tausendmal genaueren Zeit- und Positionsindikationen führt.
„Die heutigen Atomuhren ermöglichen GPS -Systeme mit einer Positionsgenauigkeit von einigen Meter Die Atomuhr kann auch minimale Veränderungen des Breitengrads auf der Erdoberfläche erkennen und zur Überwachung verwendet werden, beispielsweise die vulkanische Aktivität “, sagt Prof. Minghao Qi von der Purdue University, Co-Autor einer kürzlich veröffentlichten Studie in Naturphotonik.
Die heute existierenden optischen Atomuhren sind jedoch sperrig und erfordern komplexe Labors mit spezifischen Lasereinstellungen und optischen Komponenten, was es schwierig macht, sie außerhalb der Laborumgebungen wie in Satelliten, Fernforschungsstationen oder Drohnen zu verwenden. Jetzt hat ein Forschungsteam an der Purdue University und Chalmers eine Technologie entwickelt, die optische Atomuhren erheblich kleiner und für die breitere Verwendung in der Gesellschaft erheblich kleiner und zugänglich macht.
System, das durch Mikrocombs miniaturisiert ist
Der Kern der neuen Technologie, beschrieben in einem kürzlich veröffentlichten Forschungsartikel in Naturphotoniksind kleine auf chipbasierte Geräte, die als Mikrocombs bezeichnet werden. Wie die Zähne eines Kamms können Mikrocombs ein Spektrum von gleichmäßig verteilten Lichtfrequenzen erzeugen.
„Auf diese Weise können eine der Kammfrequenzen auf eine Laserfrequenz gesperrt werden, die wiederum an der Atomuhrschwingung gesperrt ist“, sagt Minghao Qi.
Während die optischen Atomuhren eine viel höhere Präzision bieten, liegt die Schwingungsfrequenz bei Hunderten von THZ -Bereich – eine Frequenz, die zu hoch ist, damit alle elektronischen Schaltungen direkt „zählen“ können. Die Mikrocomb -Chips der Forscher konnten das Problem jedoch lösen – und ermöglichte es dem Atomtaktsystem, erheblich zu schrumpfen.
„Glücklicherweise können unsere Mikrokomb -Chips als Brücke zwischen den optischen Signalen der Atomuhr und den Funkfrequenzen, mit der die Oszillationen der Atomuhr verwendet werden Aufrechterhaltung seiner außergewöhnlichen Präzision „, sagt Victor Torres Company, Professor für Photonik bei Chalmers und Co-Autor der Studie.
Lösung der Herausforderung der Selbstreferenz
Ein weiteres wichtiges Hindernis bestand darin, gleichzeitig die für die Stabilität des Gesamtsystems erforderliche „Selbstreferenz“ zu erreichen und die Frequenzen der Mikrokomb genau mit den Signalen der Atomuhr auszurichten.
„Es stellt sich heraus, dass ein Mikrokomb nicht ausreicht, und es gelang uns, das Problem zu lösen, indem wir zwei Mikrocombs, deren Kammabstand, dh Frequenzintervall zwischen benachbarten Zähnen Die Frequenz dient als Taktsignal, das elektronisch erkennbar ist. Häufigkeit „, sagt Kaiyi Wu, der führende Autor der Studie an der Purdue University.
Chip-basierte Laseroptik-Pflasterung für zugängliche atomare optischen Uhren
Das neue System enthält auch integrierte Photonik, bei dem Chip-basierte Komponenten anstelle von sperrigen Laseroptiken verwendet werden.
„Photonische Integrationstechnologie ermöglicht es, die optischen Komponenten von optischen Atomuhren wie Frequenzkämmen, Atomquellen und Lasern auf winzige photonische Chips in Mikrometer auf Millimetergrößen zu integrieren und die Größe und das Gewicht des Systems erheblich zu verringern“ Kaiyi Wu.
Die Innovation könnte den Weg für die Massenproduktion ebnen und optische Atomuhren für eine Reihe von Anwendungen in Gesellschaft und Wissenschaft erschwinglicher und zugänglicher machen. Das System, das erforderlich ist, um die Zyklen einer optischen Frequenz zu „zählen“, erfordert viele Komponenten neben den Mikrokomben wie Modulatoren, Detektoren und optischen Verstärkern. Diese Studie löst ein wichtiges Problem und zeigt eine neue Architektur, aber die nächsten Schritte sind, alle Elemente zu bringen, die erforderlich sind, um ein vollständiges System auf einem Chip zu erstellen.
„Wir hoffen, dass zukünftige Fortschritte in Materialien und Fertigungstechniken die Technologie weiter rationalisieren können und uns einer Welt näher bringen können, in der die ultraspezifische Zeitmessung ein Standardmerkmal in unseren Mobiltelefonen und Computern ist“, sagt Victor Torres Company.
