Britse wetenschappers hebben een "eeuwige motor" gecreëerd om de volgende generatie atoomklokken te laten tikken.

Precisie timing is essentieel voor systemen zoals wereldwijde navigatie, satellietkartering, het vaststellen van de samenstelling van exoplaneten en de volgende generaties telecommunicatie. Maar atoomklokken zijn momenteel enorme apparaten - met een gewicht van honderden kilo's - die onder nauwkeurige, moeilijk te onderhouden omstandigheden moeten worden gehuisvest.

Dat is de reden waarom wetenschappers van over de hele wereld racen om draagbare versies te bouwen die in de echte wereld werken en bestaande satellietnavigatiesystemen, zoals GPS en Galileo, zouden kunnen vervangen.

Nu heeft onderzoek aan de Universiteit van Sussex en voortgezet aan de Universiteit van Loughborough een groot struikelblok opgelost in de ontwikkeling van deze draagbare atoomklokken, door uit te zoeken hoe ze hun telapparaat betrouwbaar "aan" kunnen zetten - en ze kunnen laten werken.

Microkammen zijn een fundamenteel onderdeel van toekomstige optische atoomklokken - ze maken het mogelijk om de oscillatie van de "atomaire slinger" in de klok te tellen, waarbij de atomaire oscillatie met honderden biljoenen keren per seconde wordt omgezet in een miljard keer per seconde - een gigahertz-frequentie , die moderne elektronische systemen gemakkelijk kunnen meten.

Gebaseerd op elektronisch compatibele optische microchips, zijn microkammen de beste kandidaten om de volgende generatie ultranauwkeurige tijdregistratie te miniaturiseren. Het zijn geavanceerde lasertechnologiebronnen, die bestaan ​​uit ultraprecieze laserlijnen, op gelijke afstand van elkaar in het spectrum, die op een kam lijken.

Dit eigenaardige spectrum opent een scala aan toepassingen die ultranauwkeurige tijdregistratie en spectroscopie combineren, wat zou kunnen leiden tot de ontdekking van exoplaneten, of ultragevoelige medische instrumenten, simpelweg gebaseerd op ademscans.

"Niets van dit alles zal ooit mogelijk zijn als de microkammen zo gevoelig zijn dat ze hun staat niet kunnen behouden, zelfs als iemand gewoon het laboratorium binnenkomt", zei professor Alessia Pasquazi, die dit door ERC en EPSRC gefinancierde project in Sussex begon voordat hij naar Loughborough verhuisde met haar team, vorige maand.

In een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature , heeft onderzoek uitgevoerd aan de Universiteit van Sussex door Prof Pasquazi en haar team een ​​manier gevonden om het systeem zelfstandig te laten starten en in een stabiele toestand te houden - in wezen zelfherstellend.

"We hebben in feite een 'eeuwige motor' - zoals Snowpiercer als je ernaar kijkt - die altijd terugkeert naar dezelfde staat als er iets gebeurt om het te verstoren," zei professor Pasquazi.

"Een goed opgevoede microkam gebruikt een speciaal type golf, een holte-soliton genaamd, die niet eenvoudig te krijgen is. Net als de motor van een benzineauto, blijft een microkam het liefst in een 'off-state'. Als je je auto start, heb je een startmotor nodig die de motor goed laat draaien."

"Op dit moment hebben microkammen geen goede 'startmotor'. Het is alsof je auto met de batterij constant kapot is, en je hebt iemand nodig die hem elke keer dat je hem moet gebruiken naar beneden duwt, in de hoop dat hij start.Als je je voorstelt dat meestal een holte-solton verdwijnt in een microkamlaser wanneer iemand praat gewoon in de kamer, je ziet dat we hier een probleem hebben."

Professor Marco Peccianti, die aan het onderzoek werkte aan de Universiteit van Sussex en leiding geeft aan het nieuw gefinancierde Emergent Photonic Research Center aan de Loughborough University, voegde toe dat "we in 2019 al hadden aangetoond dat we een ander type golf konden gebruiken om microkammen te krijgen."

"We noemden ze lasercaviteitsolitonen omdat we de microchip rechtstreeks in een standaardlaser hebben ingebed en we een geweldige boost in de efficiëntie hebben gekregen."

"We hebben nu aangetoond dat onze soliton op natuurlijke wijze kan worden omgezet in de enige staat van het systeem, en we noemen dit proces 'zelf-opkomst'."

Dr. Juan Sebastian Totero Gongora, EPSRC-onderzoeker in kwantumtechnologieën in Loughborough, legde uit dat "het werkt als een eenvoudig thermodynamisch systeem, dat wordt geregeerd door 'globale variabelen', zoals temperatuur en druk."

"Bij atmosferische druk zul je altijd zeker water vinden als ijs bij -5 graden of als damp boven 100 graden, wat er ook eerder met de watermoleculen is gebeurd."

Dr. Maxwell Rowley, die zijn Ph.D. aan de Universiteit van Sussex die dit systeem ontwikkelt met Prof Pasquazi, en die nu werkt met CPI TMD Technologies, een divisie van Communications &Power Industries (CPI), waar het werk blijft om de microkam op de markt te brengen, voegde toe dat "op dezelfde manier, wanneer we de elektrische stroom die de laser naar de juiste waarde stuurt, hier zijn we gegarandeerd dat de microkam zal werken in onze gewenste soliton-staat."

"Het is een set-and-forget-systeem - een 'eeuwige motor' die altijd de juiste staat herstelt."

De paper is deze week gepubliceerd in samenwerking met collega's van de University of Sussex, City University of Hong Kong, het Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, in China, Swinburne University of Technology in Australië, het Institut national de la recherche scientifique (INRS) in Canada en de Universiteit van Strathclyde.

Het nastreven van deze technologie is een belangrijk doel van het nieuw gefinancierde Emergent Photonics Laboratory Research Centre, dat zich zal richten op geavanceerde optische technologieën in Loughborough.

De microkam is een kerncomponent voor het creëren van een draagbare en ultranauwkeurige tijdreferentie, die van cruciaal belang is voor de huidige en volgende generatie telecommunicatie (5 en 6G+ en glasvezelcommunicatie), netwerksynchronisatie (bijv. elektrisch netwerk) en het zal onze afhankelijkheid van de gps.

De zelf-opkomende microkammen zullen direct worden gebruikt in op optische vezels gebaseerde calciumion-referenties, worden nagestreefd onder Innovate UK-ondersteuning en de leiding van professor Matthias Keller aan de Universiteit van Sussex met CPI TMD-technologieën, en in een bredere samenwerking op Quantum Technologies, waaronder co-auteur professor Roberto Morandotti aan het Canadese Institut national de la recherche scientifique (INRS).

Prof Pasquazi zegt dat "van microkammen wordt verwacht dat ze een revolutie teweeg zullen brengen in de telecommunicatienetwerken, die veel verschillende kleuren gebruiken om zoveel mogelijk informatie over te dragen."

"Terwijl netwerken momenteel voor elke kleur afzonderlijke lasers gebruiken, zullen microcombs een compact en energiezuinig alternatief bieden, met de mogelijkheid om ook ultranauwkeurige tijdregistratie over te dragen."

"Het streven naar de volgende generatie telecomtechnologieën is een van de doelen van onze samenwerking met Swinburne University en co-auteur professor David Moss."

"We werken samen met hun astronomie-afdeling, hopelijk zullen deze 'optische heersers' op een dag hun zoektocht naar exoplaneten mogelijk maken." + Verder verkennen

Nieuwe microkam kan helpen bij het ontdekken van exoplaneten en het opsporen van ziekten