„Eternal Engine“ inspiriert die nächste Generation ultrapräziser Atomuhren

Britische Wissenschaftler haben einen „ewigen Motor“ geschaffen, um die Atomuhr der nächsten Generation am Laufen zu halten.

Präzises Timing ist für Systeme wie die globale Navigation, die Satellitenkartierung, die Bestimmung der Zusammensetzung von Exoplaneten und die Telekommunikation der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung. Aber Atomuhren sind derzeit massive Geräte – die Hunderte von Kilogramm wiegen –, die in präzisen, schwer zu wartenden Bedingungen untergebracht werden müssen.

Aus diesem Grund arbeiten Wissenschaftler aus der ganzen Welt daran, tragbare Versionen zu bauen, die in realen Umgebungen funktionieren und bestehende Satellitennavigationssysteme wie GPS und Galileo ersetzen könnten.

Nun haben Forschungsarbeiten, die an der University of Sussex durchgeführt und an der Loughborough University fortgesetzt wurden, einen großen Stolperstein bei der Entwicklung dieser tragbaren Atomuhren gelöst, indem sie herausgefunden haben, wie ihr Zählgerät zuverlässig „eingeschaltet“ und am Laufen gehalten werden kann.

Mikrowaben sind ein grundlegender Bestandteil zukünftiger optischer Atomuhren – sie ermöglichen es, die Schwingung des „Atompendels“ in der Uhr zu zählen, indem sie die atomare Schwingung mit Hunderten von Billionen Mal pro Sekunde in eine Milliarde Mal pro Sekunde umwandeln – eine Gigahertz-Frequenz , die moderne elektronische Systeme leicht messen können.

Basierend auf elektronisch kompatiblen optischen Mikrochips sind Mikrokämme die besten Kandidaten, um die nächste Generation ultrapräziser Zeitmessung zu miniaturisieren. Sie sind hochmoderne Lasertechnologiequellen, die aus ultrapräzisen Laserlinien bestehen, die im Spektrum gleichmäßig verteilt sind und einem Kamm ähneln.

Dieses besondere Spektrum eröffnet eine Reihe von Anwendungen, die ultrapräzise Zeitmessung und Spektroskopie miteinander verbinden, was zur Entdeckung von Exoplaneten oder ultraempfindlichen medizinischen Instrumenten führen könnte, die einfach auf Atemscans basieren.

„Nichts davon wird jemals möglich sein, wenn die Mikrokämme so empfindlich sind, dass sie ihren Zustand nicht aufrechterhalten können, selbst wenn jemand das Labor betritt“, sagte Professor Alessia Pasquazi, die dieses ERC- und EPSRC-finanzierte Projekt in Sussex begann, bevor sie mit nach Loughborough zog ihr Team, letzten Monat.

In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde NaturForschung, die an der University of Sussex von Prof. Pasquazi und ihrem Team durchgeführt wurde, hat einen Weg gefunden, dem System zu ermöglichen, von selbst zu starten und in einem stabilen Zustand zu bleiben – im Wesentlichen sich selbst zu erholen.

„Wir haben im Grunde einen ‚ewigen Motor‘ – wie Snowpiercer, wenn man ihn sich anschaut – der immer in den gleichen Zustand zurückkehrt, wenn etwas passiert, um ihn zu stören“, sagte Prof. Pasquazi.

„Ein gut erzogener Mikrokamm verwendet eine spezielle Art von Welle, die als Cavity-Soliton bezeichnet wird und nicht einfach zu bekommen ist. Wie der Motor eines Benzinautos zieht es ein Mikrokamm vor, in einem ‚Aus-Zustand‘ zu bleiben. Wenn Sie Ihr Auto starten, brauchen Sie einen Anlasser, der den Motor richtig dreht.“

„Im Moment haben Mikrokämme keinen guten ‚Anlasser‘. Es ist, als hätte man sein Auto ständig mit kaputter Batterie, und man braucht jemanden, der es jedes Mal, wenn man es benutzen muss, bergab schiebt, in der Hoffnung, dass es anspringt einfach in den Raum redet, sieht man, dass wir hier ein Problem haben.“

Professor Marco Peccianti, der an der Forschung an der University of Sussex arbeitete und das neu finanzierte Emergent Photonic Research Center an der Loughborough University leitet, fügte hinzu: „2019 hatten wir bereits gezeigt, dass wir eine andere Art von Welle verwenden können, um Mikrokämme zu erhalten.“

„Wir nannten sie Laser-Cavity-Solitonen, weil wir den Mikrochip direkt in einen Standardlaser eingebettet und eine große Effizienzsteigerung erzielt haben.“

„Wir haben jetzt gezeigt, dass unser Soliton auf natürliche Weise in den einzigen Zustand des Systems verwandelt werden kann, und wir nennen diesen Prozess ‚Selbstentstehung‘.“

Dr. Juan Sebastian Totero Gongora, EPSRC-Forschungsstipendiat für Quantentechnologien in Loughborough, erklärte, dass „es wie ein einfaches thermodynamisches System funktioniert, das von ‚globalen Variablen‘ wie Temperatur und Druck bestimmt wird“.

„Bei atmosphärischem Druck findet man Wasser bei -5 Grad immer als Eis oder bei über 100 Grad als Dampf, was auch immer vorher mit den Wassermolekülen passiert ist.“

Dr. Maxwell Rowley, der seinen Ph.D. an der University of Sussex, der dieses System zusammen mit Prof. Pasquazi entwickelt hat, und der jetzt mit CPI TMD Technologies zusammenarbeitet, einer Abteilung von Communications & Power Industries (CPI), wo die Arbeit an der Kommerzialisierung des Mikrokamms fortgesetzt wird, fügte hinzu: „Ähnlich, wenn wir das elektrische einstellen Strom, der den Laser auf den entsprechenden Wert treibt, hier ist uns garantiert, dass der Mikrokamm in unserem gewünschten Solitonenzustand arbeitet.“

„Es ist ein Set-and-Forget-System – eine ‚ewige Engine‘, die immer den richtigen Zustand wiederherstellt.“

Das Papier wurde diese Woche in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of Sussex, der City University of Hong Kong, dem Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics in China, der Swinburne University of Technology in Australien und dem Institut national de la recherche veröffentlicht scientifique (INRS) in Kanada und der University of Strathclyde.

Die Verfolgung dieser Technologie ist ein Hauptziel des neu finanzierten Emergent Photonics Laboratory Research Centre, das sich in Loughborough auf optische Spitzentechnologien konzentrieren wird.

Der Microcomb ist eine Kernkomponente für die Erstellung einer tragbaren und ultragenauen Zeitreferenz, die für die aktuelle und nächste Generation der Telekommunikation (5 und 6G+ und Glasfaserkommunikation), Netzwerksynchronisierung (z. B. elektrisches Netzwerk) dringend benötigt wird und unsere reduzieren wird Abhängigkeit vom GPS.

Die selbstauftauchenden Mikrokämme werden direkt in auf Glasfasern basierenden Calciumionen-Referenzen verwendet, die mit Unterstützung von Innovate UK und der Leitung von Professor Matthias Keller an der University of Sussex mit CPI TMD-Technologien und in einer breiteren Zusammenarbeit zu Quantentechnologien einschließlich verfolgt werden Co-Autor Professor Roberto Morandotti vom kanadischen Institut national de la recherche scientifique (INRS).

Prof. Pasquazi sagt, dass „Mikrokämme die Telekommunikationsnetze revolutionieren werden, die viele verschiedene Farben verwenden, um so viele Informationen wie möglich zu übertragen.“

„Während Netzwerke derzeit separate Laser für jede Farbe verwenden, werden Mikrokämme eine kompakte und energieeffiziente Alternative bieten, mit der Möglichkeit, auch ultrapräzise Zeitmessung zu übertragen.“

„Das Streben nach Telekommunikationstechnologien der nächsten Generation ist eines der Ziele unserer Zusammenarbeit mit der Swinburne University und dem Co-Autor Professor David Moss.“

„Wir arbeiten mit ihrer Astronomieabteilung zusammen, hoffentlich werden diese ‚optischen Herrscher‘ eines Tages ihre Suche nach Exoplaneten ermöglichen.“