Надточний атомний годинник розміром з кінчик пальця

Науковці розробили «мікрогребінцевий чіп» — комп'ютерний чіп шириною 5 міліметрів, оснащений крихітними зубцями, подібними до зубців гребінця, який може зробити оптичні атомні годинники, найточніші інструменти вимірювання часу на планеті, достатньо малими і практичними для реального використання.

Це може означати, що системи GPS стануть у тисячу разів точнішими, ніж найкращі доступні сьогодні, покращуючи все: від навігації смартфонів і дронів до сейсмічного моніторингу та геологічних досліджень, повідомили дослідники. Результати їхньої роботи були опубліковані 19 лютого в журналі Nature Photonics.

«Сучасні атомні годинники забезпечують GPS-системам позиційну точність у кілька метрів. З оптичним атомним годинником ви можете досягти точності всього у кілька сантиметрів», — пояснив співавтор дослідження Мінхао Ці, професор електротехніки та комп'ютерної інженерії Університету Пердью.

«Це поліпшує автономність транспортних засобів та всіх електронних систем, які базуються на позиціювання. Оптичний атомний годинник також може виявляти мінімальні зміни широти на поверхні Землі і може використовуватися для моніторингу, наприклад, вулканічної активності», — додав він.

У світі налічується приблизно 400 високоточних атомних годинників, які використовують принципи квантової механіки для вимірювання часу. Зазвичай це включає використання мікрохвиль для стимулювання атомів переходити між енергетичними станами. Ці переходи, які називаються осциляціями, відбуваються природно з надзвичайно високою частотою, діючи як ультраточний годинниковий механізм, який забезпечує точність вимірювання часу до мільярдної частки секунди.

Саме тому атомні годинники становлять основу Координованого Універсального Часу (UTC), який використовується для встановлення глобальних часових поясів, і супутників GPS (глобальної системи позиціювання), які покладаються на атомний часовий відлік для надання даних про позиціювання автомобілям, смартфонам та іншим пристроям.

Попри цю неймовірну точність, традиційні атомні годинники набагато менш точні, ніж оптичні атомні годинники. Якщо стандартні атомні годинники використовують мікрохвильові частоти для збудження атомів, оптичні атомні годинники використовують лазерне світло, що дозволяє вимірювати атомні вібрації в набагато тоншому масштабі, роблячи їх у тисячі разів точнішими.

До цього часу оптичні атомні годинники були обмежені надзвичайно специфічними науковими та дослідницькими середовищами, такими як Космічний центр Годдарда NASA та Національний інститут стандартів і технологій (NIST). Це пояснюється тим, що вони надзвичайно складні, що робить їх недоступними для пересічного споживача.

Мікрогребінцеві чіпи можуть змінити це, ставши мостом між високочастотними оптичними сигналами (які використовуються оптичними атомними годинниками) та радіочастотами, які використовуються в навігаційних і комунікаційних системах, на які покладається сучасна електроніка.

«Як зубці гребінця, мікрогребінь складається зі спектра рівномірно розподілених світлових частот. Оптичні атомні годинники можна створити, фіксуючи зубець мікрогребеня до лазера з ультравузькою лінією ширини, який, своєю чергою, фіксується на атомному переході з надзвичайно високою стабільністю частоти», — пояснили дослідники.

Вони порівняли нову систему з набором шестерень, де крихітна шестерня, що швидко обертається (оптична частота), приводить у рух більшу, повільнішу (радіочастоту). Так само як шестерні передають рух, зменшуючи швидкість, мікрогребінь діє як перетворювач, який змінює надшвидкі коливання атомів на стабільний часовий сигнал, який електроніка може обробляти.

«Ба більше, мінімальний розмір мікрогребеня дозволяє значно зменшити систему атомного годинника, зберігаючи при цьому її надзвичайну точність», — сказав співавтор дослідження Віктор Торрес Компані, професор фотоніки в Чалмерсі. «Ми сподіваємося, що майбутні досягнення в матеріалах і методах виробництва можуть ще більше оптимізувати технологію, наближаючи нас до світу, де надточне вимірювання часу є стандартною функцією в наших мобільних телефонах і комп'ютерах».