Forskere øger mikrobølgesignalets stabilitet hundrede gange

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har brugt state-of-the-art atomure, avancerede lysdetektorer, og et måleværktøj kaldet en frekvenskam for at øge stabiliteten af ​​mikrobølgesignaler 100 gange. Dette markerer et kæmpe skridt mod bedre elektronik for at muliggøre mere præcis tidsformidling, forbedret navigation, mere pålidelig kommunikation og billedbehandling med højere opløsning til radar og astronomi. Forbedring af mikrobølgesignalets konsistens over en bestemt tidsperiode hjælper med at sikre pålidelig drift af en enhed eller et system.

Arbejdet overfører den allerede fremragende stabilitet af de banebrydende laboratorie-atomure, der opererer ved optiske frekvenser, til mikrobølgefrekvenser, som i øjeblikket bruges til at kalibrere elektronik. Elektroniske systemer er ikke i stand til direkte at tælle optiske signaler, så NIST -teknologien og -teknikkerne indirekte overfører signalstabiliteten for optiske ure til mikrobølgeområdet. Demonstrationen er beskrevet i maj 22, 2020, udgave af Videnskab .

I deres opsætning, forskerne brugte "tikkende" af to af NISTs ytterbium gitterure til at generere lysimpulser, samt frekvenskamme, der fungerer som tandhjul til at oversætte de højere frekvens optiske pulser præcist til lavere frekvens mikrobølgesignaler. Avancerede fotodioder konverterede lysimpulser til elektriske strømme, hvilket igen genererede en 10 gigahertz (GHz, eller en milliard cyklusser i sekundet) mikrobølgesignal, der sporede urene præcist, med en fejl på kun en del i en kvintillion (1 efterfulgt af 18 nuller) .Dette præstationsniveau er på niveau med både optiske ure og 100 gange mere stabilt end de bedste mikrobølge kilder.

"År med forskning, herunder vigtige bidrag fra NIST, har resulteret i højhastighedsfotodetektorer, der nu kan overføre optisk urstabilitet til mikrobølgedomænet, "sagde forsker Frank Quinlan." Den anden store tekniske forbedring var i den direkte sporing af mikrobølgerne med høj præcision, kombineret med masser af knowhow inden for signalforstærkning. "

Optiske bølger har kortere, hurtigere cyklusser end mikrobølger gør, så de har forskellige former. Ved konvertering af stabile optiske bølger til mikrobølger, forskerne sporede fasen - den nøjagtige timing af bølgerne - for at sikre, at de var identiske, og ikke flyttet i forhold til hinanden. Eksperimentet sporede faseændringer med en opløsning, der svarer til kun en milliontedel af en cyklus.

"Dette er et område, hvor bare en fordobling af mikrobølgestabilitet kan tage år eller årtier at opnå, "sagde gruppeleder Chris Oates." Hundrede gange bedre er næsten ufatteligt. "

Nogle komponenter i NIST -systemet, såsom frekvenskamme og detektorer, er klar til at blive brugt i feltapplikationer nu, Sagde Quinlan. Men NIST-forskere arbejder stadig på at overføre state-of-the-art optiske ure til mobile platforme. Ytterbiums ure, som opererer ved frekvenser på 518 terahertz (billioner cyklusser i sekundet), i øjeblikket indtager store borde i stærkt kontrollerede laboratorieindstillinger.

Ultra-stabile elektroniske signaler kunne understøtte udbredte applikationer, herunder fremtidig kalibrering af elektroniske ure såsom elektriske enheder drevet af oscillerende kvartskrystaller. Dette er en vigtig overvejelse for omdefinitionen af ​​den internationale tidsstandard, SI sekund, nu baseret på mikrobølgefrekvenserne absorberet af cæsiumatomer i konventionelle ure. I de kommende år, det internationale videnskabelige samfund forventes at vælge en ny tidsstandard baseret på optiske frekvenser, som andre atomer, såsom ytterbium, absorbere. Superstabile signaler kan også gøre trådløse kommunikationssystemer mere pålidelige.

Optisk afledte elektroniske signaler kan gøre billeddannelsessystemer mere følsomme. Radarfølsomhed, især for objekter i langsom bevægelse, er nu begrænset af mikrobølge støj og kan forbedres kraftigt. Nye fotodioder, produceret i et samarbejde mellem NIST og University of Virginia, konvertere de optiske signaler til mikrobølgesignaler mere forudsigeligt og med lavere støj end tidligere designs. Ud over, mikrobølger kunne transportere signaler fra fjerne optiske ure til applikationer inden for navigation og grundlæggende fysikforskning.

Astronomisk billeddannelse og relativistisk geodesi, som måler jordens tyngdekraftsform, er nu baseret på at detektere mikrobølgesignaler på modtagere rundt om i verden og kombinere dem til at danne billeder af objekter. Fjernkalibrering af disse modtagere kan gøre det muligt at flytte netværket fra jorden til rummet, hvilket ville forbedre billedopløsningen og undgå atmosfæriske forvrængninger, der begrænser observationstiden. Med timers observationstid i stedet for sekunder, forskere kunne forestille sig mange flere objekter.