Ученые приблизились к технологии создания наручных атомных часов

Ученые из лаборатории Emergent Photonics Lab (EPic Lab) совершили прорыв к важнейшему элементу атомных часов — устройствам, которые могли бы уменьшить нашу зависимость от спутникового картографирования в будущем — используя передовую технологию лазерного луча. Их разработка значительно повышает эффективность ланцета (который в традиционных часах отвечает за подсчет) на 80%, чего стремятся достичь ученые всего мира.

Доктор Алессия Паскуази из лаборатории EPic в Школе математических и физических наук Университета Суссекса объясняет прорыв: «С помощью портативных атомных часов, например, машина скорой помощи сможет по-прежнему получать доступ к своим картографическим данным, пока находится в туннеле и пригородные жители смогут планировать свой маршрут, находясь в метро или без сигнала мобильного телефона в сельской местности.»

«Переносные атомные часы будут работать на чрезвычайно точной форме гео-картографирования, предоставляя доступ к вашему местоположению и запланированному маршруту без необходимости для спутникового сигнала.»

«Наш прорыв повышает эффективность части часов, отвечающей за счет, на 80%. Это делает нас на один шаг ближе к тому, чтобы увидеть переносные атомные часы, заменяющие спутниковые карты, такие как GPS, что может произойти в течение 20 лет. Новая технология изменит повседневную жизнь людей и потенциально может быть применена в автомобилях, беспилотных летательных аппаратах, а также в аэрокосмической промышленности.»

Оптические атомные часы находятся на вершине измерительных приборов времени, теряя менее одной секунды каждые десять миллиардов лет. Хотя, конечно, это массивные устройства, весом в сотни килограммов. Чтобы иметь оптимальную практическую функцию, при использовании часов обычным человеком, их размер должен быть значительно уменьшен при сохранении точности и скорости крупномасштабных часов.

В оптических атомных часах эталон (маятник в традиционных часах) напрямую определяется квантовым свойством отдельного атома, заключенного в камере: это электромагнитное поле светового луча, колеблющегося сотни триллионов раз в секунду.

Элемент счетчика тактовых импульсов, необходимый для работы на этой скорости, представляет собой оптическую частотную гребенку — узкоспециализированный лазер, излучающий одновременно много точных цветов, равномерно распределенных по частоте.

Микро-гребни уменьшают размер частоты, используя крошечные устройства, называемые оптическими микрорезонаторами. За последние десять лет эти устройства захватили воображение научного сообщества во всем мире, благодаря их обещанию реализовать весь потенциал частотных гребней в компактной форме. Однако они представляют собой тонкие устройства, сложны в эксплуатации и, как правило, не соответствуют требованиям практических атомных часов.

Прорыв в EPic Lab, подробно описанный в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, является демонстрацией исключительно эффективной и надежной микрогребенки, основанной на уникальном виде волны, называемом «laser cavity soliton».

«Солитоны — это особые волны, которые особенно устойчивы к возмущению. Например, цунами — это водные солитоны. Они могут спокойно путешествовать на невероятные расстояния; после землетрясения в Японии в 2011 году некоторые из них достигли даже побережья Калифорнии.» — говорят ученые.

«Вместо того, чтобы использовать воду, в наших экспериментах, мы используем световые импульсы, заключенные в крошечную полость на чипе. Наш особенный подход заключается в том, чтобы вставить чип в лазер на основе оптических волокон, который используется для интернета в наших домах.»

«Солитон, который путешествует в этой комбинации, имеет то преимущество, что он полностью использует возможности микрополостей для генерации множества цветов, а также предлагает надежность и универсальность управления импульсными лазерами. Следующий шаг — передача этой технологии на основе микросхем в волоконно-оптические технологии — это то, чего мы исключительно добились в университете Суссекса».

«Мы движемся к интеграции нашего устройства с устройством ультракомпактного атомного эталона (или маятника), разработанного исследовательской группой профессора Матиаса Келлера в Университете Суссекса. Вместе мы планируем разработать портативные атомные часы, которые могли бы революционизировать способ подсчета времени в будущем.»

«Наша работа представляет собой значительный шаг вперед в производстве практических атомных часов, и мы чрезвычайно взволнованы нашими планами, которые варьируются от партнерских отношений с авиационно-космической промышленностью, которые могут быть реализованы в течение пяти лет, до портативных атомных часов, которые могут быть размещены в вашем телефоне и в беспилотных автомобилях в течение следующих 20 лет», — говорят исследователи.

Laser cavity-soliton microcombs, Nature Photonics (2019). DOI: 10.1038/s41566-019-0379-5 , https://www.nature.com/articles/s41566-019-0379-5