Ученые из Университета Пердью (США) и Технологического университета Чалмерса (Швеция) придумали, как сделать их компактнее и доступнее с помощью микросот. Это открывает новые возможности для навигации, беспилотников и мониторинга Земли.

Результаты исследования опубликованы в издании Nature Photonics.

Сейчас наши устройства точны благодаря 400 атомным часам по всему миру. Любые часы состоят из двух частей: осциллятора (он создает колебания) и счетчика (он их считает). Атомные часы считают колебания атомов, которые переключаются между двумя состояниями с очень точной частотой.

Большинство атомных часов используют микроволны, но ученые исследуют возможность использовать лазеры для оптического возбуждения. Это как линейка с миллионами делений: оптические часы делят секунду на еще больше частей, что делает их в тысячи раз точнее.

Современные GPS точны до нескольких метров. Оптические часы могут повысить точность до сантиметров. Это улучшит работу беспилотников и систем позиционирования. Они также смогут отслеживать малейшие изменения на поверхности Земли, например, активность вулканов, — говорит профессор Минхао Ци из Университета Пердью.

Но сегодня оптические часы слишком громоздкие и требуют сложных лабораторий. Ученые из Пердью и Чалмерса разработали технологию, которая делает их компактнее и доступнее.

Микросоты — ключ к миниатюризации

Новая технология использует микросоты — устройства, которые создают множество световых частот, как зубцы гребенки.

Мы фиксируем одну из частот микросоты на частоте лазера, который синхронизирован с атомными часами, — объясняет Минхао Ци.

Оптические часы работают на частотах в сотни ТГц, что слишком быстро для электроники. Но микросоты решают эту проблему, уменьшая размер системы.

Наши микрочипы связывают оптические сигналы с радиочастотами, которые можно считать. Это делает систему компактной, но сохраняет точность, — говорит Виктор Торрес Компани из Чалмерса.

Решение проблемы синхронизации

Ученые также решили проблему синхронизации, используя две микросоты с небольшим смещением частот.

Это позволяет передать точный сигнал с атомных часов на радиочастоту, которую может считать электроника, — объясняет Кайи Ву из Пердью.

Фотоника на чипах

Новая система использует фотонные чипы, которые заменяют громоздкую лазерную оптику.

Фотонные чипы объединяют все компоненты в одном устройстве, уменьшая размер и вес системы, — говорит Кайи Ву.

Это открывает путь к массовому производству, делая оптические часы доступными для науки и повседневной жизни.

Мы надеемся, что в будущем сверхточные часы станут стандартом в наших телефонах и компьютерах, — добавляет Виктор Торрес Компани.

Ученые планируют объединить все компоненты в одну систему на чипе. Это приблизит нас к миру, где точное время будет доступно каждому.

Ранее ученые заявили, что атомные часы смогут пережить и Землю, и Солнце.

Иллюстрация: Подобно зубцам расчески, микросоты состоят из спектра равномерно распределенных световых частот. Оптические атомные часы можно построить, привязав зубцы микрогребенки к сверхширокополосному лазеру, который, в свою очередь, привязывается к атомному переходу с чрезвычайно высокой стабильностью частоты. Таким образом, частотные гребенки действуют как мост между атомным переходом на оптической частоте и тактовым сигналом на радиочастоте, который поддается электронному детектированию для подсчета колебаний, что позволяет добиться необычайной точности. Фотонный чип исследователей, изображенный на снимке справа, содержит 40 генераторов микросот, а его ширина составляет всего пять миллиметров. Источник: Chalmers University of Technology\ Kaiyi Wu.