Nowy mikro-optyczny zegar mierzy czas z niewiarygodną dokładnością

Naukowcy z UCLA stworzyli super dokładny zegar optyczny, który można umieścić w standardowym krzemowym chipie a który mierzy czas z dokładnością do 0.00000000000000027 sekundy. Zegar zajmuje jedynie objętość 1cm sześciennego a zbliża się precyzją do tych najdokładniejszych.

Czas - wizja artystyczna. Duże w nowym oknie >>

Dzisiejsze najdokładniejsze zegary, zegary atomowe, są wykorzystywane do mierzenia czasu dla komunikacji internetowej i satelitarnej, nawigacji GPS a nawet pomagają astronomom wykrywać planety podobne do Ziemi poza Układem Słonecznym. Ich dokładność sięga "zaledwie" 10 do -13 potęgi sekundy (inaczej 0,0000000000001 sekundy). Dokładność nowego zegara możliwego do umieszczenia w chipie sięga 2.7 do -16 sekundy.

Zasada działania super dokładnych zegarów jest dość podobna jak wszystkich innych czasomierzy. Jak wszystkie zegary muszą one mieć źródło ciągłych, stałych, powtarzalnych sygnałów które służą do "szatkowania" czasu na równe odcinki. Kiedyś wykorzystywano do tego ruch Słońca, następnie wibrujący kryształ kwarcu, aż w końcu nastała era wspomnianych zegarów atomowych.

Zegary atomowe zliczają naturalne wibracje atomów. Zegary atomowe używane dzisiaj w różnych dziedzinach technologii mogą mierzyć wibracje atomu z częstotliwością mikrofalową, około 9 miliardów cykli na sekundę. Optyczne zegary atomowe wibrują znacznie szybciej, około 500 000 miliardów razy na sekundę, jednak do niedawna nie istniała technologia zliczania tech impulsów z taką zawrotną prędkością. Jednak rozwój technologi i wykorzystanie tzw. "grzebienia częstotliwości" jako swego rodzaju przekładni w końcu pozwala sprzęgnąć optyczne źródło oscylacji z mikrofalowym, zliczać oscylacje z większą dokładnością, tak jak ma to miejsce w omawianym przypadku.

(Ilustracja A) Schemat urządzenia (zegara) służącego do generowania, stabilizacji i pomiaru, grzebienia częstotliwości w skali standardowego chipa krzemowego. (Ilustracja B) Przykład spektrum stabilnego grzebienia częstotliwości Kerra.
Duże w nowym oknie >>

Zegary optyczne poprzedniej generacji były znacznie większe niż ten opracowany na UCLA. Używały dużych laserów światłowodowych które musiały być trzymane w urządzeniach wielkości komputera stacjonarnego. Zespołowi z UCLA udało się znacząco zmniejszyć mechanizm, do jedynie jednego centymetra sześciennego. Aby tego dokonać naukowcy posłużyli się technologią podobną do tej stosowanej w trakcie produkcji chipów krzemowych. Nowy zegar prawie dorównuje precyzją mierzenia czasu najlepszym wzorcom częstotliwości na świecie.

Nowy zegar może mieć szerokie zastosowanie, od bardziej precyzyjnych pomiarów czasu i przestrzeni, poprzez postęp w dziedzinie nazywanej "fizyką attosekundową", aż po zastosowania w optycznej, bezprzewodowej, satelitarnej komunikacji. Dla przykładu, może służyć do pomiaru ruchu atomów lub pomóc dostrzec ruch odległych obiektów daleko poza naszym układem słonecznym.

"Jeśli nasze urządzenie przystosujemy do współdziałania w raz z innymi we współczesnych teleskopach wykorzystujących podczerwień, będziemy w stanie wykryć pozasłoneczne planety wielkości Ziemi, a także inne ciała niebieskie 100 razy mniejsze niż do tej pory." ,powiedział Shu-Wei Huang, naukowiec UCLA Engineering i główny autor projektu.

"Wysyłając impuls światła w określonym kierunku a następnie mierząc czas jaki potrzebuje aby dotrzeć do obiektu a po odbiciu wrócić do źródła, możemy obliczyć odległość. Nasze urządzenie może pomóc w precyzyjnym laserowym mierzeniu odległości przydatnym w przypadku choćby autonomicznych samochodów, czy nawet samolotów" ,powiedział Chee Wei Wong, profesor inżynierii elektrycznej, główny badacz projektu.

Wong powiedział również, że nowy zegar laserowy może pomóc generować coraz krótsze impulsy światła, które byłyby przydatne do obserwowania ruchu elektronów lub wykrywania śladowych ilości groźnych materiałów z dalekich odległości.

Nowy zegar może również pomóc przy przyszłym dokładniejszym pomiarze pewnych fundamentalnych stałych, takich jak na przykład siła oddziaływań elektromagnetycznych między elektronami czy innymi cząstkami elementarnymi.

Wong powiedział, ponieważ nowy zegar jest wbudowany w krzemowy chip jest bardziej niezawodny niż starsze, znacznie większe modele które dodatkowo wymagały zewnętrznej stabilizacji i elektroniki do pracy.

Żródło: phys.org
Orginalny Artykuł: DOI: 10.1126/sciadv.1501489

S.-W. Huang et al. A broadband chip-scale optical frequency synthesizer at 2.7 x
10-16 relative uncertainty, Science Advances (2016).