Forskare i Emergent Photonics Lab (EPic Lab) vid University of Sussex har gjort ett genombrott till en avgörande del av en atomklocka - enheter som kan minska vårt beroende av satellitkartläggning i framtiden - med hjälp av banbrytande laserstråleteknik. Deras utveckling förbättrar avsevärt effektiviteten hos lansetten (som i en traditionell klocka är ansvarig för att räkna), med 80 % - något som forskare runt om i världen har tävlat om att uppnå.

För närvarande, Storbritannien är beroende av USA och EU för satellitkartläggningen som många av oss har på våra telefoner och i våra bilar. Det gör oss sårbara inte bara för den internationella politikens nycker, men också tillgången till satellitsignaler.

Dr Alessia Pasquazi från EPic Lab vid School of Mathematical and Physical Sciences vid University of Sussex förklarar genombrottet:"Med en bärbar atomklocka, en ambulans, till exempel, kommer fortfarande att kunna komma åt sin kartläggning medan de är i en tunnel, och en pendlare kommer att kunna planera sin rutt medan de är på tunnelbanan eller utan mobiltelefonsignal på landsbygden. Bärbara atomklockor skulle fungera på en extremt exakt form av geokartering, möjliggör åtkomst till din plats och planerade rutt utan behov av satellitsignal.

"Vårt genombrott förbättrar effektiviteten hos den del av klockan som ansvarar för räkningen med 80%. Detta tar oss ett steg närmare att se bärbara atomur som ersätter satellitkartläggning, som GPS, vilket kan hända inom 20 år. Denna teknik kommer att förändra människors vardag och potentiellt vara användbar i förarlösa bilar, drönare och flygindustrin. Det är spännande att denna utveckling har skett här på Sussex."

Optiska atomklockor är på höjden av tidsmätanordningar, förlorar mindre än en sekund var tionde miljard år. För närvarande dock, de är enorma enheter, väger hundratals kilo. För att ha en optimal praktisk funktion som kan användas av din genomsnittliga person, deras storlek måste reduceras avsevärt samtidigt som de storskaliga klockornas noggrannhet och hastighet bibehålls.

I en optisk atomklocka, referensen (pendeln i en traditionell klocka) är direkt härledd av kvantegenskapen hos en enda atom som är instängd i en kammare:det är det elektromagnetiska fältet hos en ljusstråle som svänger hundratals biljoner gånger per sekund. Klockräkningselementet som krävs för att arbeta med denna hastighet är en optisk frekvenskam – en högspecialiserad laser som sänder ut, samtidigt, många exakta färger, jämnt fördelade i frekvens.

Mikrokammar minskar dimensionen av frekvenskammar genom att utnyttja små enheter som kallas optiska mikroresonatorer. Dessa enheter har fångat fantasin hos det vetenskapliga samfundet över hela världen under de senaste tio åren, med sitt löfte om att realisera den fulla potentialen hos frekvenskammar i kompakt form. Dock, de är känsliga enheter, komplexa att använda och uppfyller vanligtvis inte kraven på praktiska atomur.

Genombrottet på EPic Lab, detaljerat i en artikel som publicerades idag (måndag 11 mars) i tidskriften, Nature Photonics , är demonstrationen en exceptionellt effektiv och robust mikrokam baserad på en unik typ av våg som kallas "laser cavity soliton".

Dr Pasquazi fortsätter:"Solitoner är speciella vågor som är särskilt robusta mot störningar. Tsunamis, till exempel, är vattensolitoner. De kan resa ostört över otroliga avstånd; efter jordbävningen i Japan 2011 nådde några av dem till och med så långt som till Kaliforniens kust.

"Istället för att använda vatten, i våra experiment utförda av Dr Hualong Bao, vi använder ljuspulser, instängd i en liten hålighet på ett chip. Vårt utmärkande tillvägagångssätt är att sätta in chipet i en laser baserad på optiska fibrer, samma som används för att leverera internet i våra hem.

"Solitonen som färdas i den här kombinationen har fördelen av att fullt ut utnyttja mikrohålrummens förmåga att generera många färger, samtidigt som den erbjuder robustheten och mångsidigheten för kontroll av pulsade lasrar. Nästa steg är att överföra denna chipbaserade teknik till fiberteknik – något som vi är exceptionellt välplacerade vid University of Sussex för att uppnå."

Professor Marco Peccianti från University of Sussex EPic Lab tillägger:"Vi går mot integrationen av vår enhet med den av den ultrakompakta atomreferensen (eller pendeln) som utvecklats av professor Matthias Kellers forskargrupp här vid University of Sussex. tillsammans, vi planerar att utveckla en bärbar atomklocka som kan revolutionera hur vi räknar tid i framtiden.

"Vår utveckling representerar ett betydande steg framåt i produktionen av praktiska atomur och vi är oerhört glada över våra planer, som sträcker sig från partnerskap med den brittiska flygindustrin, som skulle kunna förverkligas inom fem år, till bärbara atomklockor som skulle kunna inrymmas i din telefon och i förarlösa bilar och drönare inom 20 år."