Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har använt toppmoderna atomur, avancerade ljusdetektorer, och ett mätverktyg som kallas en frekvenskam för att öka stabiliteten hos mikrovågssignaler 100 gånger. Detta markerar ett jättesteg mot bättre elektronik för att möjliggöra mer exakt tidsspridning, förbättrad navigering, mer tillförlitlig kommunikation och högre upplösning för radar och astronomi. Att förbättra mikrovågssignalens konsistens under en specifik tidsperiod hjälper till att säkerställa tillförlitlig drift av en enhet eller ett system.

Verket överför den redan fantastiska stabiliteten hos de banbrytande laboratorieklockorna som arbetar med optiska frekvenser till mikrovågsfrekvenser, som för närvarande används för att kalibrera elektronik. Elektroniska system kan inte direkt räkna optiska signaler, så NIST-tekniken och teknikerna överför indirekt signalstabiliteten hos optiska klockor till mikrovågsdomänen. Demonstrationen beskrivs i den 22 maj, 2020, frågan om Vetenskap .

I deras inställningar, forskarna använde "tickandet" av två av NIST:s ytterbiumgitterklockor för att generera ljuspulser, samt frekvenskammar som fungerar som kugghjul för att exakt översätta de högre frekvens optiska pulserna till lägre frekvens mikrovågssignaler. Avancerade fotodioder omvandlade ljuspulser till elektriska strömmar, vilket i sin tur genererade 10 gigahertz (GHz, eller en miljard cykler per sekund) mikrovågssignal som spårade klockornas tick exakt, med ett fel på bara en del på en kvintiljon (1 följt av 18 nollor). Denna prestandanivå är i nivå med den för båda optiska klockor och 100 gånger mer stabil än de bästa mikrovågskällorna.

"År av forskning, inklusive viktiga bidrag från NIST, har resulterat i höghastighetsfotodetektorer som nu kan överföra optisk klockstabilitet till mikrovågsdomänen, ", sa huvudforskaren Frank Quinlan. "Den andra stora tekniska förbättringen var i direkt spårning av mikrovågorna med hög precision, kombinerat med massor av kunskap inom signalförstärkning."

Optiska vågor har kortare, snabbare cykler än mikrovågor gör, så de har olika former. Vid konvertering av stabila optiska vågor till mikrovågor, forskarna spårade fasen – den exakta tidpunkten för vågorna – för att säkerställa att de var identiska, och inte förskjutna i förhållande till varandra. Experimentet spårade fasförändringar med en upplösning motsvarande bara en miljondels cykel.

"Det här är ett område där bara en fördubbling av mikrovågsstabiliteten kan ta år eller decennier att uppnå, " sade gruppledaren Chris Oates. "Hundra gånger bättre är nästan outgrundligt."

Vissa komponenter i NIST-systemet, såsom frekvenskammarna och detektorerna, är redo att användas i fältapplikationer nu, sa Quinlan. Men NIST-forskare arbetar fortfarande med att överföra toppmoderna optiska klockor till mobila plattformar. ytterbiumklockorna, som arbetar vid frekvenser på 518 terahertz (biljoner cykler per sekund), för närvarande upptar stora bord i högt kontrollerade laboratoriemiljöer.

Ultrastabila elektroniska signaler kan stödja utbredda tillämpningar, inklusive framtida kalibrering av elektroniska klockor, såsom elektriska enheter som drivs av oscillerande kvartskristaller. Detta är ett viktigt övervägande för omdefinieringen av den internationella tidsstandarden, SI andra, nu baserat på de mikrovågsfrekvenser som absorberas av cesiumatomerna i konventionella klockor. Under de kommande åren, det internationella forskarsamfundet förväntas välja en ny tidsstandard baserad på optiska frekvenser som andra atomer, som ytterbium, absorbera. Superstabila signaler kan också göra trådlösa kommunikationssystem mer tillförlitliga.

Optiskt härledda elektroniska signaler kan göra bildsystem känsligare. Radarkänslighet, speciellt för långsamt rörliga föremål, är nu begränsad av mikrovågsbrus och kan förbättras avsevärt. Nya fotodioder, producerad i ett samarbete mellan NIST och University of Virginia, konvertera de optiska signalerna till mikrovågssignaler mer förutsägbart och med lägre brus än tidigare konstruktioner. Dessutom, mikrovågor kunde bära signaler från avlägsna optiska klockor för tillämpningar inom navigering och grundläggande fysikforskning.

Astronomisk avbildning och relativistisk geodesi, som mäter jordens gravitationsform, baseras nu på att detektera mikrovågssignaler vid mottagare runt om i världen och kombinera dem för att bilda bilder av objekt. Fjärrkalibrering av dessa mottagare kan göra det möjligt att flytta nätverket från jorden till rymden, vilket skulle förbättra bildupplösningen och undvika atmosfäriska förvrängningar som begränsar observationstiden. Med timmars observationstid istället för sekunder, forskare skulle kunna avbilda många fler föremål.