Сегодня наши мобильные телефоны, компьютеры и системы GPS могут давать нам очень точные показания времени и определения местоположения благодаря более чем 400 атомным часам по всему миру. Все виды часов - будь то механические, атомные или умные - состоят из двух частей: генератора и счетчика. Генератор обеспечивает периодическое изменение некоторой известной частоты с течением времени, в то время как счетчик подсчитывает количество циклов генератора. Атомные часы подсчитывают колебания вибрирующих атомов, которые переключаются между двумя энергетическими состояниями с очень точной частотой.

Большинство атомных часов используют микроволновые частоты, чтобы вызвать эти энергетические колебания в атомах. В последние годы исследователи в этой области изучили возможность использования лазера вместо этого для оптического возбуждения колебаний. Подобно линейке с большим количеством делений на сантиметр, оптические атомные часы позволяют делить секунду на еще большее количество временных долей, что приводит к в тысячи раз более точным показаниям времени и местоположения.

"Современные атомные часы позволяют использовать системы GPS с точностью определения местоположения в несколько метров. С помощью оптических атомных часов вы можете добиться точности всего в несколько сантиметров. Это повышает автономность транспортных средств и всех электронных систем, основанных на позиционировании. Оптические атомные часы также могут обнаруживать минимальные изменения широты на поверхности Земли и могут использоваться, например, для мониторинга вулканической активности", - говорит профессор. Минхао Ци из Университета Пердью, соавтор исследования, недавно опубликованного в журнале Nature Photonics.

Однако существующие сегодня оптические атомные часы громоздки и требуют сложных лабораторий со специальными лазерными установками и оптическими компонентами, что затрудняет их использование вне лабораторных условий, таких как спутники, удаленные исследовательские станции или беспилотные летательные аппараты. Теперь исследовательская группа из Университета Пердью и Чалмерса разработала технологию, которая делает оптические атомные часы значительно меньше по размеру и доступными для более широкого использования в обществе.

Система, уменьшенная с помощью микросхем

Ядром новой технологии, описанной в недавно опубликованной исследовательской статье в журнале Nature Photonics, являются небольшие устройства на основе чипов, называемые микрокомбами. Подобно зубьям расчески, микрощетки могут генерировать спектр равномерно распределенных световых частот.

"Это позволяет привязать одну из частот гребенки к частоте лазера, которая, в свою очередь, привязана к колебаниям атомных часов", - говорит Минхао Ци.

В то время как оптические атомные часы обеспечивают гораздо более высокую точность, частота колебаний находится в диапазоне сотен ТГц - частота, слишком высокая для того, чтобы какие-либо электронные схемы могли "считать" напрямую. Но микросхемы microcomb, разработанные исследователями, смогли решить проблему, позволив при этом значительно сократить время работы системы атомных часов.

"К счастью, наши микросхемы microcomb могут выступать в качестве моста между оптическими сигналами атомных часов и радиочастотами, используемыми для подсчета колебаний атомных часов. Более того, минимальный размер микрокомба позволяет значительно уменьшить систему атомных часов при сохранении ее исключительной точности", - говорит Виктор Торрес Компани, профессор фотоники в Чалмерсе и соавтор исследования.

Решение проблемы самореференции

Другим серьезным препятствием было одновременное достижение "самореференции", необходимой для стабильности всей системы в целом, и точное согласование частот микрокомба с сигналами атомных часов.

"Оказалось, что одного микрокомбината недостаточно, и нам удалось решить проблему, соединив два микрокомбината, расстояния между гребнями которых, то есть частотный интервал между соседними зубцами, близки, но с небольшим смещением, например, 20 ГГц. Эта частота смещения 20 ГГц будет служить тактовым сигналом, который можно обнаружить электронным способом. Таким образом, мы могли бы заставить систему передавать сигнал точного времени с атомных часов на более доступную радиочастоту", - говорит Кайи Ву, ведущий автор исследования из Университета Пердью.

Лазерная оптика на основе чипов прокладывает путь к доступным атомным оптическим часам

Новая система также включает в себя интегрированную фотонику, в которой используются компоненты на основе чипов, а не громоздкая лазерная оптика.

"Технология фотонной интеграции позволяет интегрировать оптические компоненты оптических атомных часов, такие как частотные гребенки, атомные источники и лазеры, на крошечные фотонные чипы размером от микрометра до миллиметра, значительно уменьшая размер и вес системы", - говорит доктор Кайи Ву.

Инновация могла бы проложить путь к массовому производству, сделав оптические атомные часы более доступными для широкого спектра применений в обществе и науке. Система, которая требуется для "подсчета" циклов оптической частоты, требует множества компонентов помимо микросхем, таких как модуляторы, детекторы и оптические усилители. Это исследование решает важную проблему и демонстрирует новую архитектуру, но следующие шаги заключаются в том, чтобы привнести все элементы, необходимые для создания полноценной системы на кристалле.

"Мы надеемся, что будущие достижения в области материалов и технологий производства смогут еще больше усовершенствовать технологию, приблизив нас к миру, где сверхточный хронометраж является стандартной функцией наших мобильных телефонов и компьютеров", - говорит компания Виктора Торреса.