Hoewel kwantumtechnologie waardevol is gebleken voor zeer nauwkeurige tijdwaarneming, het is nog steeds een belangrijke uitdaging om deze technologieën praktisch te maken voor gebruik in verschillende omgevingen. In een belangrijke stap in de richting van draagbare kwantumapparaten, onderzoekers hebben een nieuwe high-flux en compacte koude-atoombron ontwikkeld met een laag stroomverbruik die een belangrijk onderdeel kan zijn van veel kwantumtechnologieën.

"Het gebruik van kwantumtechnologieën op basis van lasergekoelde atomen heeft al geleid tot de ontwikkeling van atoomklokken die op nationaal niveau worden gebruikt voor tijdwaarneming, "Zei onderzoeksteamleider Christopher Foot van de Universiteit van Oxford in het VK. "Precieze klokken hebben veel toepassingen in de synchronisatie van elektronische communicatie- en navigatiesystemen zoals GPS. Compacte atoomklokken die breder inzetbaar zijn, ook in de ruimte, zorgen voor veerkracht in communicatienetwerken omdat lokale klokken nauwkeurige tijdregistratie kunnen behouden, zelfs als er een netwerkstoring is."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , S. Ravenhall, B. Yuen en Foot beschrijven werk uitgevoerd in Oxford, U.K. om een ​​volledig nieuw ontwerp voor een koude atoombron te demonstreren. Het nieuwe apparaat is geschikt voor een breed scala aan koude-atoomtechnologieën.

"In dit project hebben we een ontwerp dat we voor onderzoeksdoeleinden hebben gemaakt, ontwikkeld tot een compact apparaat, " zei Foot. "Naast tijdwaarnemingstoepassingen, compacte cold-atom-apparaten kunnen ook worden gebruikt voor instrumenten voor zwaartekrachtkartering, traagheidsnavigatie en communicatie en om fysische verschijnselen te bestuderen in onderzoekstoepassingen zoals donkere materie en zwaartekrachtsgolven."

Atomen koelen met licht

Hoewel het misschien contra-intuïtief lijkt, laserlicht kan worden gebruikt om atomen af ​​te koelen tot extreem lage temperaturen door een kracht uit te oefenen die de atomen vertraagt. Dit proces kan worden gebruikt om een ​​koude-atoombron te creëren die een straal van lasergekoelde atomen genereert gericht op een gebied waar precisiemetingen voor tijdwaarneming of het detecteren van zwaartekrachtgolven, bijvoorbeeld, zijn uitgedragen.

Laserkoeling vereist meestal een gecompliceerde opstelling van spiegels om vanuit alle richtingen licht op atomen te laten schijnen in een vacuüm. In het nieuwe werk de onderzoekers creëerden een heel ander ontwerp dat slechts vier spiegels gebruikt. Deze spiegels zijn gerangschikt als een piramide en zo geplaatst dat ze langs elkaar kunnen schuiven als de bloembladen van een bloem om een ​​gat te creëren aan de bovenkant van de piramide waardoor de koude atomen naar buiten worden geduwd. De grootte van dit gat kan worden aangepast om de stroom van koude atomen voor verschillende toepassingen te optimaliseren. De piramide-opstelling reflecteert het licht van een enkele inkomende laserstraal die de vacuümkamer binnenkomt via een enkele kijkpoort, waardoor de optica aanzienlijk wordt vereenvoudigd.

de spiegels, die zich in het vacuümgebied van de koude-atoombron bevinden, werden gemaakt door metaal te polijsten en een diëlektrische coating aan te brengen. "De verstelbaarheid van dit ontwerp is een geheel nieuwe functie, " zei Voet. "Het maken van een piramide van vier identieke gepolijste metalen blokken vereenvoudigt de montage, en het kan worden gebruikt zonder het verstelmechanisme."

Betere metingen met meer atomen

Om hun nieuwe koude-atoombronontwerp te testen, de onderzoekers bouwden laboratoriumapparatuur om de stroom van atomen die door een gat aan de top van de piramide wordt uitgezonden volledig te karakteriseren.

"We hebben een uitzonderlijk hoge flux van rubidium-atomen aangetoond, " zei Foot. "De meeste apparaten met koude atomen nemen metingen die verbeteren met het aantal gebruikte atomen. Bronnen met een hogere flux kunnen dus worden gebruikt om de meetnauwkeurigheid te verbeteren, verhoog de signaal-ruisverhouding of help grotere meetbandbreedtes te bereiken."

De onderzoekers zeggen dat de nieuwe bron geschikt is voor commerciële toepassing. Omdat het een klein aantal componenten en weinig montagestappen heeft, het opschalen van de productie om meerdere exemplaren te produceren zou eenvoudig zijn.