Optiska atomklockor håller tiden exakt och ger centimeterkoll på positioner i GPS-system. Men ett hinder för användning på bred front är att de är stora och komplexa. Forskare vid Chalmers har nu utvecklat en teknologi för att krympa dem rejält.
Idag kan våra mobiltelefoner, datorer och GPS-system ge oss mycket exakta tidsangivelser och positioneringar med hjälp av över 400 atomklockor som finns världen över.
Alla slags klockor – oavsett om de är mekaniska, atomiska eller smarta – består av två delar: en komponent som svänger, och en som räknar svängningarna.
Hos atomklockor räknas svängningarna hos vibrerande atomer som med väldigt exakt frekvens växlar mellan två energitillstånd. Det här gör att atomklockan kan mäta tid med en precision som motsvarar en sekunds avvikelse över flera miljoner år.
Mer exakt tid och position
Idag använder atomklockorna oftast mikrovågsfrekvenser för att framkalla de här svängningarna hos atomerna. Men på senare år har forskare tittat på möjligheten att i stället använda laserstrålar för att på optisk väg frammana svängningarna.
Optiska atomklockor kan dela upp en sekund i ännu fler delar – likt en linjal där varje millimeter delats upp. Det ger tusentals gånger mer exakta tids- och positionsangivelser.
– Dagens atomklockor gör det möjligt för GPS-system att uppnå en precision på några meter. Med en optisk atomklocka kan den precisionen komma ner till bara några centimeter. Det här förbättrar autonomin hos bilar, och hos alla elektroniska system som baseras på positionering, säger Victor Torres Company, professor i fotonik vid Chalmers i ett pressmeddelande.
– En optisk atomklocka kan även känna av minimala förändringar i latitud på jordens yta, och kan användas för övervakning av exempelvis vulkanisk aktivitet, fortsätter han.
Svårt att använda i nuläget
Men de optiska atomklockor som finns idag är skrymmande och kräver komplexa laboratorier med specifika laserinställningar och optiska komponenter. Det innebär att det är svårt att använda dem utanför labbmiljöer.
Nu har ett forskarlag vid Chalmers och Purdue University i USA utvecklat en teknologi som gör optiska atomklockor betydligt mindre och därmed tillgängliga för en mer utbredd användning, till exempel i satelliter.
Kärnan i den nya tekniken är små chipbaserade enheter som kallas mikrokammar. Likt tänderna på en kam kan mikrokammarna generera ett spektrum av jämnt fördelade ljusfrekvenser. På så vis kan en mikrokamsfrekvens ”låsas” till en laserfrekvens, som i sin tur är låst till atomurets svängning.
Mikrokammar krymper systemet
Även om de optiska atomklockorna gör det möjligt med en större precision, är frekvensen på svängningarna alldeles för hög för att någon elektronisk krets idag ska hinna räkna dem. Men med hjälp av mikrokam-chipet har forskarna löst problemet, samtidigt som de har krympt atomurets system betydligt.
– I vårt system fungerar frekvenserna som en brygga mellan atomklockans optiska signaler och radiofrekvenserna som används för att räkna atomklockans svängningar. Mikrokammens minimala storlek gör det möjligt att krympa atomklockans system betydligt samtidigt som de bibehåller sin extraordinära precision, säger Victor Torres Company.
Löste tidigare problem
Ett annat stort hinder har handlat om att uppnå den ”självreferens” som behövs för att anpassa mikrokammens frekvenser exakt med atomurets signaler.
– Vi lyckades lösa problemet genom att para ihop två mikrokammar, var och en något förskjuten, för att enklare kunna justera frekvenser. På det sättet kunde vi få systemet att överföra den exakta tidssignalen från en atomklocka till en mer tillgänglig radiofrekvens, säger Victor Torres Company.
Laseroptik på små chip
Det nya systemet innehåller integrerad fotonik, med chipbaserade komponenter i stället för skrymmande laseroptik. För att kunna ”räkna” svängningarna för en optisk frekvens krävs många komponenter förutom mikrokammarna, till exempel modulatorer, detektorer och optiska förstärkare. Nästa steg i forskningen är att ta med alla nödvändiga element för att skapa ett komplett system på ett enda chip.
Forskarnas innovation kan bana väg för massproduktion, något som skulle göra optiska atomur mer överkomliga och tillgängliga för en rad användningar i samhället och inom vetenskapen.
– Vi hoppas att framsteg inom material och tillverkningstekniker kan effektivisera teknologin ytterligare och därmed föra oss närmare en värld där ultraexakt tidtagning är en standarddel av våra mobiler och datorer, säger Victor Torres Company.
Vetenskaplig artikel:
Vernier microcombs for integrated optical atomic clocks”, Nature Photonics.
