Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben ultramoderne atoomklokken gebruikt, geavanceerde lichte detectoren, en een meetinstrument genaamd een frequentiekam om de stabiliteit van microgolfsignalen 100-voudig te vergroten. Dit markeert een gigantische stap in de richting van betere elektronica om nauwkeurigere tijdsverspreiding mogelijk te maken, verbeterde navigatie, betrouwbaardere communicatie en beeldvorming met een hogere resolutie voor radar en astronomie. Het verbeteren van de consistentie van het microgolfsignaal gedurende een bepaalde tijdsperiode zorgt voor een betrouwbare werking van een apparaat of systeem.

Het werk brengt de toch al uitstekende stabiliteit van de geavanceerde laboratorium-atoomklokken die werken op optische frequenties over op microgolffrequenties, die momenteel worden gebruikt om elektronica te kalibreren. Elektronische systemen kunnen optische signalen niet direct tellen, dus de NIST-technologie en -technieken brengen de signaalstabiliteit van optische klokken indirect over naar het microgolfdomein. De demonstratie wordt beschreven in de 22 mei, 2020, probleem van Wetenschap .

In hun opstelling, de onderzoekers gebruikten het "tikken" van twee van NIST's ytterbium-roosterklokken om lichtpulsen te genereren, evenals frequentiekammen die als tandwielen dienen om de optische pulsen met een hogere frequentie nauwkeurig om te zetten in microgolfsignalen met een lagere frequentie. Geavanceerde fotodiodes zetten lichtpulsen om in elektrische stromen, die op zijn beurt een 10 gigahertz (GHz, of een miljard cycli per seconde) microgolfsignaal dat het tikken van de klokken precies volgde, met een fout van slechts één deel op een triljoen (1 gevolgd door 18 nullen). Dit prestatieniveau is vergelijkbaar met dat van beide optische klokken en 100 keer stabieler dan de beste microgolfbronnen.

"Jaren van onderzoek, waaronder belangrijke bijdragen van NIST, hebben geleid tot snelle fotodetectoren die nu optische klokstabiliteit kunnen overbrengen naar het microgolfdomein, " hoofdonderzoeker Frank Quinlan zei. "De tweede grote technische verbetering was het direct volgen van de microgolven met hoge precisie, gecombineerd met veel knowhow op het gebied van signaalversterking."

Optische golven hebben kortere, snellere cycli dan microgolven, dus ze hebben verschillende vormen. Bij het omzetten van stabiele optische golven in microgolven, de onderzoekers volgden de fase - de exacte timing van de golven - om er zeker van te zijn dat ze identiek waren, en niet ten opzichte van elkaar verschoven. Het experiment volgde faseveranderingen met een resolutie die overeenkomt met slechts een miljoenste van een cyclus.

"Dit is een gebied waar een verdubbeling van de microgolfstabiliteit jaren of decennia kan duren, " Groepsleider Chris Oates zei. "Honderd keer beter is bijna onpeilbaar."

Sommige componenten van het NIST-systeem, zoals de frequentiekammen en detectoren, zijn nu klaar om te worden gebruikt in veldtoepassingen, zei Quinlan. Maar NIST-onderzoekers werken nog steeds aan het overbrengen van ultramoderne optische klokken naar mobiele platforms. De ytterbium klokken, die werken bij frequenties van 518 terahertz (biljoen cycli per seconde), bezetten momenteel grote tafels in sterk gecontroleerde laboratoriumomgevingen.

Ultrastabiele elektronische signalen kunnen wijdverbreide toepassingen ondersteunen, inclusief toekomstige kalibratie van elektronische klokken, zoals elektrische apparaten die worden aangedreven door oscillerende kwartskristallen. Dit is een belangrijke overweging voor de herdefiniëring van de internationale tijdstandaard, de SI tweede, nu gebaseerd op de microgolffrequenties die worden geabsorbeerd door de cesiumatomen in conventionele klokken. In de komende jaren, de internationale wetenschappelijke gemeenschap zal naar verwachting een nieuwe tijdstandaard selecteren op basis van optische frequenties die andere atomen, zoals ytterbium, absorberen. Superstabiele signalen kunnen draadloze communicatiesystemen ook betrouwbaarder maken.

Optisch afgeleide elektronische signalen zouden beeldvormingssystemen gevoeliger kunnen maken. Radargevoeligheid, vooral voor langzaam bewegende objecten, wordt nu beperkt door microgolfgeluid en kan aanzienlijk worden verbeterd. Nieuwe fotodiodes, geproduceerd in een samenwerking tussen NIST en de Universiteit van Virginia, converteer de optische signalen naar microgolfsignalen voorspelbaarder en met minder ruis dan eerdere ontwerpen. In aanvulling, microgolven kunnen signalen van verre optische klokken dragen voor toepassingen in navigatie en fundamenteel natuurkundig onderzoek.

Astronomische beeldvorming en relativistische geodesie, die de zwaartekrachtvorm van de aarde meet, zijn nu gebaseerd op het detecteren van microgolfsignalen bij ontvangers over de hele wereld en het combineren ervan om afbeeldingen van objecten te vormen. Kalibratie op afstand van deze ontvangers zou het mogelijk kunnen maken om het netwerk van de aarde naar de ruimte te verplaatsen, wat de beeldresolutie zou verbeteren en atmosferische vervormingen zou voorkomen die de observatietijd beperken. Met uren observatietijd in plaats van seconden, onderzoekers konden veel meer objecten in beeld brengen.