Evig motor inspirerer den næste generation af ultrapræcise atomure

Britiske videnskabsmænd har skabt en "evig motor" for at holde den næste generation af atomur tikkende.

Præcisionstiming er afgørende for systemer som global navigation, satellitkortlægning, etablering af sammensætningen af ​​exoplaneter og de næste generationer af telekommunikation. Men atomure er i øjeblikket massive enheder - der vejer hundredvis af kilo - som skal anbringes under præcise, vanskelige at vedligeholde forhold.

Det er grunden til, at forskere fra hele verden ræser om at bygge bærbare versioner, der vil fungere i den virkelige verden, og som kan erstatte eksisterende satellitnavigationssystemer, såsom GPS og Galileo.

Nu har forskning foretaget ved University of Sussex og videreført ved Loughborough University løst en stor anstødssten i udviklingen af ​​disse bærbare atomure ved at finde ud af, hvordan man pålideligt tænder for deres tælleenhed – og holder dem kørende.

Mikrokamme er en grundlæggende del af fremtidige optiske atomure – de giver mulighed for at tælle oscillationen af ​​"atompendulet" i uret og konvertere atomsvingningen med hundreder af billioner af gange i sekundet til en milliard gange i sekundet - en gigahertz-frekvens , som moderne elektroniske systemer nemt kan måle.

Baseret på elektronisk kompatible optiske mikrochips er mikrokamme de bedste kandidater til at miniaturisere den næste generation af ultrapræcis tidtagning. De er banebrydende laserteknologiske kilder, der består af ultrapræcise laserlinjer, lige fordelt i spektret, som ligner en kam.

Dette ejendommelige spektrum åbner en række applikationer, der blander ultrapræcis tidsregistrering og spektroskopi, som kan føre til opdagelsen af ​​exoplaneter eller ultrafølsomme medicinske instrumenter, der blot er baseret på åndedrætsscanninger.

"Intet af dette vil nogensinde være muligt, hvis mikrokammene er så følsomme, at de ikke kan opretholde deres tilstand, selvom nogen bare kommer ind i laboratoriet," sagde professor Alessia Pasquazi, der startede dette ERC- og EPSRC-finansierede projekt i Sussex, før han flyttede til Loughborough med hendes hold i sidste måned.

I et nyt papir offentliggjort i tidsskriftet Nature , forskning udført på University of Sussex af prof Pasquazi og hendes team har identificeret en måde at tillade systemet at starte af sig selv og forblive i en stabil tilstand - i det væsentlige ved at blive selvrestituerende.

"Vi har dybest set en 'evig motor' - som Snowpiercer, hvis du ser den - som altid vender tilbage til den samme tilstand, hvis der sker noget, der forstyrrer den," sagde professor Pasquazi.

"En velopdragen mikrokam bruger en særlig type bølge, kaldet en hulrumssoliton, som ikke er nem at få. Ligesom motoren i en benzinbil foretrækker en mikrokam at blive i en 'off-state'. Når du starter din bil, har du brug for en startmotor, der får motoren til at rotere ordentligt."

"I øjeblikket har mikrokamme ikke en god 'startmotor'. Det er som at have din bil med batteriet konstant i stykker, og du har brug for nogen til at skubbe den ned ad bakke, hver gang du skal bruge den, i håb om at den vil starte. Hvis du forestiller dig, at en hulrumssoliton normalt forsvinder i en mikrokamlaser, når nogen bare taler i rummet, ser du, at vi har et problem her."

Professor Marco Peccianti, der arbejdede på forskningen ved University of Sussex og leder det nyligt finansierede Emergent Photonic Research Center ved Loughborough University, tilføjede, at "i 2019 havde vi allerede demonstreret, at vi kunne bruge en anden type bølge til at få mikrokamme."

"Vi kaldte dem solitoner med laserhulrum, fordi vi indlejrede mikrochippen direkte i en standardlaser, og vi opnåede et stort løft i effektiviteten."

"Vi har nu vist, at vores soliton naturligt kan omdannes til systemets eneste tilstand, og vi kalder denne proces 'selv-emergence'."

Dr. Juan Sebastian Totero Gongora, EPSRC-forsker i kvanteteknologier i Loughborough, forklarede, at "det fungerer som et simpelt termodynamisk system, som er styret af 'globale variabler", som temperatur og tryk."

"Ved atmosfærisk tryk er du altid sikker på at finde vand som is ved -5 grader eller som damp over 100 grader, hvad end der er sket med vandmolekylerne før."

Dr. Maxwell Rowley, som opnåede sin ph.d. på University of Sussex, der udviklede dette system sammen med prof Pasquazi, og som nu arbejder med CPI TMD Technologies, en division af Communications &Power Industries (CPI), hvor arbejdet fortsætter med at kommercialisere mikrokammen, tilføjede, at "på samme måde, da vi indstillede den elektriske strøm, der driver laseren til den passende værdi, her er vi garanteret, at mikrokammen vil fungere i vores ønskede solitontilstand."

"Det er et sæt-og-glem-system - en 'evig motor', der altid genopretter den korrekte tilstand."

Avisen er blevet offentliggjort i denne uge i samarbejde med kolleger ved University of Sussex, City University of Hong Kong, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, i Kina, Swinburne University of Technology i Australien, Institut national de la recherche scientifique (INRS) i Canada og University of Strathclyde.

Forfølgelsen af ​​denne teknologi er et nøglemål for det nyligt finansierede Emergent Photonics Laboratory Research Centre, som vil fokusere på banebrydende optiske teknologier i Loughborough.

Mikrokammen er en kernekomponent til at skabe en bærbar og ultranøjagtig tidsreference, som er kritisk nødvendig for den nuværende og næste generation af telekommunikation (5 og 6G+ og fiberkommunikation), netværkssynkronisering (f.eks. elektrisk netværk), og det vil reducere vores afhængighed af GPS.

De selvfremkaldende mikrokamme vil blive brugt direkte i optisk-fiberbaserede calciumionreferencer, forfulgt under Innovate UK-støtte og ledelse af professor Matthias Keller ved University of Sussex med CPI TMD-teknologier og i et bredere samarbejde om Quantum Technologies, bl.a. medforfatter professor Roberto Morandotti ved det canadiske Institut national de la recherche scientifique (INRS).

Prof Pasquazi siger, at "mikrokomber forventes at revolutionere telekommunikationsnetværkene, som bruger mange forskellige farver til at overføre så meget information som muligt."

"Mens netværk i øjeblikket bruger separate lasere til hver farve, vil mikrokamme give et kompakt og strømeffektivt alternativ med mulighed for også at overføre ultra-præcis tidtagning."

"Forfølgelsen af ​​næste generation af telekomteknologier er et af målene for vores samarbejde med Swinburne University og medforfatter professor David Moss."

"Vi samarbejder med deres astronomiafdeling, forhåbentlig vil disse 'optiske linealer' en dag muliggøre deres søgen efter exoplaneter." + Udforsk yderligere

Ny mikrokam kunne hjælpe med at opdage exoplaneter og opdage sygdomme