Mikrokammar lägger grunden för tusen gånger mer exakta GPS-system

Optiska atomklockor kan förbättra precisionen av tid och geografisk position tusenfalt i våra mobiler, datorer och GPS-system. Men än så länge är de alldeles för stora och komplexa för att kunna användas på bred front i samhället. Nu har ett forskarlag från Chalmers och Purdue University i USA utvecklat en teknologi som med hjälp av mikrokammar gör ultraprecisa optiska atomklockor betydligt mindre – med stora vinster för navigationssystem, autonoma fordon och övervakning av geo-data.

Idag kan våra mobiltelefoner, datorer och GPS-system ge oss mycket exakta tidsangivelser och positioneringar tack vare de 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. Därigenom kan atomklockan mäta tid med en precision motsvarande endast en sekunds avvikelse över flera miljoner år.

Idag använder atomklockorna oftast mikrovågsfrekvenser för att framkalla dessa energi-svängningar hos atomer. Men på senare år har forskare inom fältet utforskat möjligheten att i stället använda laserstrålar för att på optisk väg frammana svängningarna. Likt en linjal där varje millimeter delats upp i många delar, kan optiska atomklockor dela upp en sekund i ännu fler delar, vilket ger upphov till 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. En optisk atomklocka kan även känna av minimala förändringar i latitud på jordens yta, och kan användas för övervakning av exempelvis vulkanisk aktivitet, säger Victor Torres Company, professor i fotonik vid Chalmers.

Men de optiska atomklockor som finns idag är skrymmande och kräver komplexa laboratorier med specifika laserinställningar och optiska komponenter, vilket gör det 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 i samhället.

Mikrokammar krymper systemet

Kärnan i den nya tekniken, som beskrivs i en nyligen publicerad forskningsartikel i Nature Photonics, 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.

Även om de optiska atomklockorna möjliggör en betydligt större precision, är frekvensen på svängningarna alldeles för hög för att någon elektronisk krets idag ska hinna räkna dem. Men med hjälp av mikrokams-chipet har forskarna löst problemet, samtidigt som de har krympt atomursystemet 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, medförfattare till studien.

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, såsom modulatorer, detektorer och optiska förstärkare. Forskarnas studie löser ett viktigt problem och visar en ny arkitektur, men nästa steg är att ta med alla nödvändiga element för att skapa ett komplett system på ett enda chip.

Forskarnas innovation kan nu bana väg för massproduktion, vilket skulle göra optiska atomur mer överkomliga och tillgängliga för en rad applikationer 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.

Mer om studien:

Studien “Vernier microcombs for integrated optical atomic clocks” har publicerats i Nature Photonics. Författarna är Kaiyi Wu, Nathan P. O’Malley, Saleha Fatema, Cong Wang, Marcello Girardi, Mohammed S. Alshaykh, Zhichao Ye, Daniel E. Leaird, Minghao Qi, Victor Torres-Company och Andrew M. Weiner. Vid tidpunkten för studien var forskarna verksamma vid Purdue University, USA; Chalmers tekniska högskola, Sverige och King Saud University, Saudiarabien.

För mer information, kontakta:

Victor Torres Company, professor i fotonik vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.
torresv@chalmers.se
031 772 19 04