Исследователи упрощают конструкцию оптических атомных часов без ущерба для производительности

Исследователи продемонстрировали новые оптические атомные часы, которые используют один лазер и не требуют криогенных температур. Значительно уменьшив размер и сложность атомных часов без ущерба для точности и стабильности, это достижение может привести к созданию высокопроизводительных, компактных и портативных атомных часов.

«За последние два десятилетия было достигнуто много крупных успехов в работе атомных часов следующего поколения», — сказал Джейсон Джонс, руководитель исследовательской группы Университета Аризоны.

«Однако многие из этих систем не подходят для использования в реальных приложениях. Чтобы вывести эту передовую технологию за пределы лаборатории, мы используем упрощенную конструкцию, в которой одночастотный гребенчатый лазер действует как маятник часов, или тикающий механизм, и механизм, отслеживающий время. »

Частотные гребенки, тип лазера, который излучает тысячи равномерно расположенных цветов или частот, произвели революцию в атомных часах и хронометрировании. Оптические буквыДжонс и коллеги описывать оптические атомные часы, в которых используется гребенка частот для непосредственного возбуждения двухфотонного перехода в атомах рубидия-87. Они показывают, что эта новая конструкция обеспечивает те же характеристики, что и традиционные оптические атомные часы с двумя лазерами.

«Это достижение также может помочь улучшить сеть GPS, которая опирается на спутниковые атомные часы, за счет повышения производительности и повышения доступности резервных или альтернативных часов», — сказал первый автор исследования Сет Эриксон.

«Это также первый шаг к внедрению эффективных атомных часов в повседневные приложения и даже в дома, которые могли бы, например, позволить телекоммуникационной сети очень быстро переходить от одного разговора к другому. Это могло бы позволить многим людям одновременно общаться по одним и тем же телекоммуникационным каналам и увеличить скорость передачи данных. »

Упрощение расширенного времени

В оптических часах возбуждение атомных энергетических уровней с помощью лазера заставляет атомы переходить между определенными энергетическими уровнями. Точная частота этих переходов служит «тик-так» часов, позволяя измерять время с большой точностью. Хотя были разработаны портативные оптические атомные часы в масштабе чипа, наиболее точные и стабильные оптические часы используют атомы, захваченные при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы минимизировать движение атомов, которое может изменить частоты лазерного света, испытываемого атомами.

Чтобы избежать такого экстремального охлаждения, Джонс и его коллеги использовали уровни атомной энергии, которые требуют поглощения двух фотонов вместо одного, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень. Когда фотоны направляются с противоположных направлений к атому, эффекты движения одного из этих фотонов компенсируют любые эффекты движения другого фотона. Это позволяет использовать горячие атомы (100°C) и существенно упростить конструкцию часов.

«Главное новшество этой работы заключается в том, что вместо использования одного цветного лазера для отправки фотонов к атому в каждом направлении мы посылаем широкий спектр цветов из совокупности частот», — сказал Джонс.

«Использование правильных пар фотонов разного цвета из частотной гребенки позволяет складывать их вместе так же, как это сделали бы два фотона из монохромного лазера, таким образом возбуждая атом аналогичным образом. Это устраняет необходимость в монохромном лазере, что еще больше упрощает атомные часы. »

Исследователи говорят, что широкая доступность коммерческих гребенок частот и надежных волоконных компонентов, таких как брэгговские решетки, на телекоммуникационных длинах волн значительно облегчила разработку этой новой конструкции. Они использовали волоконные брэгговские решетки, чтобы уменьшить широкополосный частотный спектр гребенки до уровня ниже 100 ГГц, сосредоточенного на атомном переходе рубидия-87. Этот тщательно отфильтрованный спектр увеличил перекрытие между выходным сигналом гребенки частот и спектром возбуждения атомов рубидия-87.

Сравнение часов

Чтобы проверить новый подход, исследователи сравнили две почти идентичные версии новых гребенчатых часов с прямой частотой и традиционных часов, в которых использовался дополнительный одночастотный лазер. Новые часы показали стабильную производительность с джиттером 1,9 × 10.⁻¹³ за 1 секунду и в среднем до 7,8(38)×10⁻¹⁵ на 2600 секундах. Эти характеристики были аналогичны характеристикам традиционных часов и другим опубликованным результатам с использованием одночастотной лазерной архитектуры.

В настоящее время исследователи работают над улучшением конструкции своих оптических атомных часов, делая их меньше и стабильнее в долгосрочной перспективе, а также внедряя последние достижения в лазерных технологиях. Метод прямой частотной гребенки также можно использовать с другими двухфотонными атомными переходами, в том числе с теми, для которых в настоящее время недоступны малошумящие одночастотные лазеры.