Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Brittiska forskare har skapat en "evig motor" för att hålla nästa generations atomur ticka.
Precisionstidning är avgörande för system som global navigering, satellitkartläggning, fastställande av exoplaneternas sammansättning och nästa generations telekommunikation. Men atomklockor är för närvarande enorma enheter – som väger hundratals kilogram – som måste inrymmas under exakta, svåra att underhålla förhållanden.
Det är därför forskare från hela världen tävlar om att bygga bärbara versioner som fungerar i verkliga miljöer och som kan ersätta befintliga satellitnavigeringssystem, som GPS och Galileo.
Nu har forskning utförd vid University of Sussex och fortsatt vid Loughborough University löst en stor stötesten i utvecklingen av dessa bärbara atomklockor, genom att ta reda på hur man på ett tillförlitligt sätt kan "sätta på" deras räkneenhet – och hålla dem igång.
Mikrokammar är en grundläggande del av framtida optiska atomklockor – de tillåter en att räkna svängningen av "atompendeln" i klockan och omvandla atomsvängningen med hundratals biljoner gånger per sekund till en miljard gånger per sekund – en gigahertz-frekvens , som moderna elektroniska system lätt kan mäta.
Baserat på elektroniskt kompatibla optiska mikrochips är mikrokammar de bästa kandidaterna för att miniatyrisera nästa generations ultraprecis tidtagning. De är banbrytande laserteknologikällor, uppbyggda av ultraprecisa laserlinjer, jämnt fördelade i spektrumet, som liknar en kam.
Detta märkliga spektrum öppnar en rad applikationer som blandar ultraprecis tidshållning och spektroskopi, vilket kan leda till upptäckten av exoplaneter, eller ultrakänsliga medicinska instrument baserade helt enkelt på andningsskanningar.
"Inget av detta kommer någonsin att vara möjligt om mikrokammarna är så känsliga att de inte kan behålla sitt tillstånd även om någon bara går in i labbet", säger professor Alessia Pasquazi, som startade detta ERC- och EPSRC-finansierade projekt i Sussex innan hon flyttade till Loughborough med hennes team, förra månaden.
I en ny artikel publicerad i tidskriften Nature , forskning utförd vid University of Sussex av prof Pasquazi och hennes team har identifierat ett sätt att tillåta systemet att starta av sig självt och förbli i ett stabilt tillstånd – i huvudsak självåterhämtande.
"Vi har i princip en "evig motor" - som Snowpiercer om du tittar på den - som alltid kommer tillbaka till samma tillstånd om något råkar störa den", säger prof Pasquazi.
"En väluppfostrad mikrokam använder en speciell typ av våg, som kallas en kavitetssoliton, som inte är enkel att få tag på. Precis som motorn i en bensinbil föredrar en mikrokam att stanna i ett "off-state". När du startar din bil behöver du en startmotor som får motorn att rotera ordentligt."
"För tillfället har mikrokammarna ingen bra "startmotor." Det är som att ha din bil med batteriet ständigt trasigt, och du behöver någon som trycker ner den i backen varje gång du behöver använda den, i hopp om att den startar. Om du föreställer dig att vanligtvis försvinner en kavitetssoliton i en mikrokamlaser när någon bara pratar i rummet, ser du att vi har ett problem här."
Professor Marco Peccianti, som arbetade med forskningen vid University of Sussex och leder det nyfinansierade Emergent Photonic Research Center vid Loughborough University, tillade att "under 2019 hade vi redan visat att vi kunde använda en annan typ av våg för att få mikrokammar."
"Vi kallade dem laserkavitetssolitoner eftersom vi bäddade in mikrochippet direkt i en standardlaser och vi fick en stor ökning av effektiviteten."
"Vi har nu visat att vår soliton naturligt kan förvandlas till systemets enda tillstånd, och vi kallar denna process för 'självuppkomst'."
Dr. Juan Sebastian Totero Gongora, EPSRC-forskare inom kvantteknologi i Loughborough förklarade att "det fungerar som ett enkelt termodynamiskt system, som styrs av "globala variabler", som temperatur och tryck."
"Vid atmosfärstryck är du alltid säker på att hitta vatten som is vid -5 grader eller som ånga över 100 grader, vad som än har hänt med vattenmolekylerna tidigare."
Dr. Maxwell Rowley, som fick sin doktorsexamen. vid University of Sussex utvecklar detta system tillsammans med prof Pasquazi, och som nu arbetar med CPI TMD Technologies, en division inom Communications &Power Industries (CPI), där arbetet fortsätter med att kommersialisera mikrokammen, tillade att "på liknande sätt, när vi ställer in den elektriska ström som driver lasern till lämpligt värde, här är vi garanterade att mikrokammen kommer att fungera i vårt önskade solitontillstånd."
"Det är ett ställ-och-glöm-system - en 'evig motor' som alltid återställer det korrekta tillståndet."
Tidningen har publicerats denna vecka i samarbete med kollegor vid University of Sussex, City University of Hong Kong, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, i Kina, Swinburne University of Technology i Australien, Institut national de la recherche scientifique (INRS) i Kanada och University of Strathclyde.
Strävan efter denna teknik är ett centralt mål för det nyligen finansierade Emergent Photonics Laboratory Research Centre, som kommer att fokusera på den senaste optiska teknologin i Loughborough.
Mikrokammen är en kärnkomponent för att skapa en bärbar och ultraexakt tidsreferens, vilket är avgörande för den nuvarande och nästa generationens telekommunikation (5 och 6G+ och fiberkommunikation), nätverkssynkronisering (t.ex. elektriskt nätverk) och det kommer att minska vår beroende av GPS.
De självuppkommande mikrokammarna kommer att användas direkt i optisk fiberbaserade kalciumjonreferenser, eftersträvas under Innovate UK-stöd och ledning av professor Matthias Keller vid University of Sussex med CPI TMD-teknologier, och i ett bredare samarbete om Quantum Technologies, inklusive medförfattare professor Roberto Morandotti vid Canadian Institut national de la recherche scientifique (INRS).
Prof Pasquazi säger att "mikrokomber förväntas revolutionera telekommunikationsnätverken, som använder många olika färger för att överföra så mycket information som möjligt."
"Medan nätverk för närvarande använder separata lasrar för varje färg, kommer mikrokammar att tillhandahålla ett kompakt och energieffektivt alternativ, med möjlighet att också överföra ultraprecis tidtagning."
"Strävan efter nästa generations telekomteknik är ett av målen för vårt samarbete med Swinburne University och medförfattaren professor David Moss."
"Vi samarbetar med deras astronomiavdelning, förhoppningsvis en dag kommer dessa 'optiska linjaler' att möjliggöra deras sökande efter exoplaneter." + Utforska vidare
