Även om kvantteknologi har visat sig vara värdefull för mycket exakt tidtagning, att göra dessa tekniker praktiska för användning i en mängd olika miljöer är fortfarande en viktig utmaning. I ett viktigt steg mot bärbara kvantenheter, Forskare har utvecklat en ny högflux och kompakt kallatomkälla med låg strömförbrukning som kan vara en nyckelkomponent i många kvantteknologier.

"Användningen av kvantteknik baserad på laserkylda atomer har redan lett till utvecklingen av atomklockor som används för tidtagning på nationell nivå, ", sa forskargruppsledaren Christopher Foot från Oxford University i Storbritannien. "Exakta klockor har många tillämpningar för synkronisering av elektronisk kommunikation och navigationssystem som GPS. Kompakta atomklockor som kan användas mer brett, inklusive i rymden, ger motståndskraft i kommunikationsnätverk eftersom lokala klockor kan upprätthålla korrekt tidtagning även om det finns ett nätverksavbrott."

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , S. Ravenhall, B. Yuen och Foot beskriver arbete som utförts i Oxford, U.K. för att demonstrera en helt ny design för en kall atomkälla. Den nya enheten lämpar sig för ett brett utbud av kallatomteknologier.

"I det här projektet tog vi en design som vi gjorde för forskningsändamål och utvecklade den till en kompakt enhet, " sade Foot. "Förutom tidtagningsapplikationer, kompakta kallatomenheter kan också användas för instrument för gravitationskartering, tröghetsnavigering och kommunikation och att studera fysiska fenomen i forskningsapplikationer som mörk materia och gravitationsvågor."

Kylning av atomer med ljus

Även om det kan verka kontraintuitivt, laserljus kan användas för att kyla atomer till extremt låga temperaturer genom att utöva en kraft som saktar ner atomerna. Denna process kan användas för att skapa en kallatomkälla som genererar en stråle av laserkylda atomer riktad mot ett område där precisionsmätningar för tidtagning eller detektering av gravitationsvågor, till exempel, utförs.

Laserkylning kräver vanligtvis ett komplicerat arrangemang av speglar för att lysa ljus på atomer i ett vakuum från alla håll. I det nya arbetet, forskarna skapade en helt annan design som använder bara fyra speglar. Dessa speglar är arrangerade som en pyramid och placerade på ett sätt som gör att de kan glida förbi varandra som kronbladen på en blomma för att skapa ett hål i toppen av pyramiden genom vilket de kalla atomerna trycks ut. Storleken på detta hål kan justeras för att optimera flödet av kalla atomer för olika applikationer. Pyramidarrangemanget reflekterar ljuset från en enda inkommande laserstråle som kommer in i vakuumkammaren genom en enda synport, vilket förenklar optiken mycket.

Speglarna, som är belägna inuti vakuumområdet för kallatomkällan, skapades genom att polera metall och applicera en dielektrisk beläggning. "Justerbarheten av denna design är en helt ny funktion, " sa Foot. "Att skapa en pyramid av fyra identiska polerade metallblock förenklar monteringen, och den kan användas utan justeringsmekanismen."

Bättre mätningar med fler atomer

För att testa deras nya källdesign med kalla atomer, forskarna konstruerade laboratorieutrustning för att helt karakterisera flödet av atomer som släpps ut genom ett hål i pyramidens spets.

"Vi visade ett exceptionellt högt flöde av rubidiumatomer, "sa foten." De flesta kallatomanordningar gör mätningar som förbättras med antalet atomer som används. Källor med högre flöde kan alltså användas för att förbättra mätnoggrannheten, öka signal-brusförhållandet eller bidra till att uppnå större mätbandbredder."

Forskarna säger att den nya källan är lämplig för kommersiell tillämpning. Eftersom den har ett litet antal komponenter och få monteringssteg, Det skulle vara enkelt att skala upp produktionen för att producera flera kopior.