Спутники, которые обеспечивают работу GPS в вашем автомобиле и смартфоне, состоят из множества атомных часов. В настоящее время работает около 400 таких атомных часов, обеспечивающих определение местоположения в режиме реального времени с точностью до нескольких метров. Крошечный микрочип обещает оснастить спутники GPS высокоточными оптическими атомными часами.
Учёные стремятся сделать GPS более точным, поскольку это позволит автономным автомобилям, навигационным системам и геологическому мониторингу быть гораздо точнее. Этого можно добиться, заменив нынешние атомные часы в спутниках GPS на оптические атомные часы, которые являются гораздо более совершенными и точными приборами для измерения времени.
Например, если обычные атомные часы имеют погрешность до одной секунды за миллионы лет, то оптические атомные часы, ещё точнее, с погрешностью в одну секунду за миллиарды лет.
«Современные атомные часы позволяют использовать системы GPS с точностью определения местоположения в несколько метров. С помощью оптических атомных часов можно достичь точности в несколько сантиметров. Это повышает автономность транспортных средств и всех электронных систем, основанных на позиционировании», – говорит Минхао Ци, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Пердью.
Однако существующие версии оптических атомных часов довольно велики, занимают несколько квадратных метров пространства в лаборатории и не позволяют учёным устанавливать их в GPS-спутники, но вскоре ситуация может измениться. Исследователи из Университета Пердью и Технологического университета Чалмерса разработали новую технологию, которая может значительно уменьшить размер оптических атомных часов.
Читайте: В Китае создали сверхточные атомные часы для военных целей размером с холодильник
Микроячеистый чип для уменьшения размеров оптических атомных часов
Традиционные оптические атомные часы не только большие, но и сложные, они требуют специализированных лазерных установок и оптических компонентов.
Размер таких установок делает оптические атомные часы непрактичными для широкого использования в таких сферах применения, как смартфоны, спутники или беспилотники. Чтобы решить эту проблему, исследователи создали крошечные устройства на основе чипов, известные как микрокомбы.
Эти чипы микрокомбы генерируют спектр равномерно распределённых световых частот, похожих на зубцы расчёски. Оптические атомные часы работают на частоте в сотни терагерц (ТГц). Электронная схема не предназначена для измерения столь высоких частот. Однако равномерно распределённые частоты света помогают разделить эти сверхбыстрые колебания на более низкие и управляемые частоты.
Кроме того, это позволяет привязать одну из частот микроячейки к лазеру, который затем привязывается к колебаниям атомных часов. Таким образом, создаётся стабильный эталон, который можно использовать для точного отсчёта времени. Встраивая эти микроячейки в оптические атомные часы, можно миниатюризировать их компоненты без ущерба для точности.
«К счастью, наши микрокомбы могут служить мостом между оптическими сигналами атомных часов и радиочастотами, используемыми для подсчёта колебаний атомных часов. Более того, минимальный размер микроячеек позволяет значительно уменьшить систему атомных часов, сохранив при этом их исключительную точность», – говорит Виктор Торрес-Компани, один из авторов исследования и профессор Чалмерса.
Одной микроячейки недостаточно
Создание крошечных микроячеек – это только одна часть проблемы, следующая задача — согласовать её с сигналом атомных часов и обеспечить стабильную работу.
Когда исследователи протестировали свой микрочип, они заметили, что его недостаточно для достижения желаемых результатов. С одной микросотой они не смогли преобразовать сверхбыстрые сигналы атомных часов в полезные радиочастоты, необходимые для измерения времени и положения.
«Оказалось, что одной микрогребенки недостаточно, но нам удалось решить проблему, соединив две микрогребенки, у которых расстояния между гребёнками, то есть частотный интервал между соседними зубцами, близки, но с небольшим смещением, например, 20 ГГц. Эта разница в 20 ГГц действует как сигнал часов, который может быть обнаружен электронным способом, что позволяет системе измерять показания оптических атомных часов».
Однако помимо микрокомбов, для оптических часов также необходимы компоненты, как оптические усилители и модуляторы. Будущие исследования будут направлены на создание таких элементов на чипе, чтобы в скором времени мы могли массово производить и использовать это сверхточное устройство для измерения времени в наших спутниках и повседневных GPS-устройствах.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU