A Portable Dual-Color Two-Photon Rubidium Optical Frequency Standard

الوقت هو الخيط الخفي الذي يمسك بزمام الحضارة الحديثة. ففي كل مرة يتصل فيها هاتف ذكي بشبكة، أو تبحر سفينة في المحيط المفتوح، أو يبث قمر صناعي إشارة إلى مستقبل، فإنه يعتمد على ساعة دقيقة في حدود جزء من مليار من الثانية. لعقود من الزمن، استخدمت أكثر الساعات المحمولة موثوقية الموجات الدقيقة (الميكروويف) لضبط نبضاتها، وهي تقنية خدمتنا جيدًا ولكنها وصلت الآن إلى حدودها القصوى. كان العلماء يعلمون منذ فترة طويلة أن استخدام الضوء بدلاً من الموجات الدقيقة يمكن أن يخلق ساعات أكثر استقرارًا بكثير، لكن هذه الساعات "البصرية" كانت تقليديًا عبارة عن آلات ضخمة وهشة لا تعمل إلا داخل مختبرات خاضعة لرقابة دقيقة. كان التحدي يكمن في تصغير هذه التقنية الحساسة لتصبح بحجم يسمح لها بالتنقل، وتحمل اهتزازات المركبات المتحركة، والحفاظ على الوقت المثالي خارج أمان منصة المختبر.

نجح فريق من الباحثين من جامعة أديليد في بناء واختبار ساعة ذرية محمولة تقوم بهذا العمل تمامًا. لقد صنعوا وحدة ذاتية الاحتواء تتناسب داخل رف معدات قياسي، بحجم حقيبة سفر كبيرة تقريبًا، ويمكنها العمل بشكل مستقل في الميدان. تستخدم هذه الأداة نوعًا محددًا من الذرات، وهو الروبيديوم، وطريقة ذكية تتضمن لونين مختلفين من الضوء لقياس الوقت. ومن خلال الجمع بين التكنولوجيا القوية المتوفرة تجاريًا والمستخدمة في الاتصالات، مع نظام مصمم خصيًا، أثبتوا أن الساعة البصرية يمكنها الآن العمل خارج المختبر. وفي الاختبارات التي أجريت خلال تمرين بحري دولي كبير، حافظت الساعة على الوقت باستقرار يضاهي أفضل الأدوات المختبرية، مما يثبت أن الجيل القادم من تكنولوجيا التوقيت جاهز للعالم الحقيقي.

إن قلب هذه الساعة الجديدة هو خلية زجاجية تحتوي على بخار دافئ من ذرات الروبيديوم. ولقياس الوقت، يقوم الباحثون بتوجيه ليزرين إلى هذه الخلية؛ حيث ينتج أحد الليزرين ضوءًا بطول موجي قدره 780 نانومتر، والآخر ينتج ضوءًا بطول موجي قدره 776 نانومتر. عندما تمتص الذرة فوتونًا واحدًا من كلا الليزرين في آن واحد، فإنها تنتقل إلى حالة طاقة أعلى. هذه القفزة المحددة هي "نبضة" الساعة. وقد صمم الباحثون النظام لاستخدام لونين مختلفين من الضوء بدلاً من لون واحد فقط، وهو خيار يسمح لهم باستخدام قدرة ليزر أضعف بكثير مع الحصول على إشارة قوية في الوقت نفسه. وعندما تقوم الذرات بهذه القفزة، فإنها تعود في النهاية إلى مستواها الأصلي، مطلقةً ومضة من الضوء الأزرق عند طول موجي 420 نانومتر. ترصد الساعة هذا التوهج الأزرق؛ فإذا كانت أجهزة الليزر مضبوطة بدقة على التردد الصحيح، يكون التوهج في أقصى درجات سطوعه، وإذا انحرفت أجهزة الليزر ولو قليلاً، يخبو التوهج. ويقوم النظام بضبط أجهزة الليزر باستمرار للحفاظ على التوهج عند ذروته، مما يضمن بقاء الساعة مقفلة على التردد الدقيق للانتقال الذري.

ولجعل هذا يعمل في حزمة محمولة، كان على الفريق حل عدة ألغاز هندسية. تبدأ أجهزة الليزر نفسها كضوء تحت أحمر ينتقل عبر كابلات الألياف الضوئية، على غرار البنية التحتية للإنترنت المستخدمة في الاتصالات العالمية. وداخل الجهاز، يتم تحويل هذه الأشعة تحت الحمراء إلى الضوء المرئي (780 و776 نانومتر) المطلوب لإثارة الذرات. ويتم وضع الإعداد البصري بالكامل داخل صندوق معدني مصمم لحماية المكونات الدقيقة من الاهتزاز والتغيرات في درجات الحرارة. ويعد "مشط التردد البصري" جزءًا حاسمًا من النظام، حيث يعمل مثل مسطرة للضوء، مما يسمح للجهاز بترجمة التذبذبات فائقة السرعة لموجات الضوء إلى إشارة إلكترونية ثابتة يمكن استخدامها بواسطة أجهزة الكمبيوتر وأنظمة الملاحة القياسية. ويولد هذا المشط إشارة بصرية مستقرة وإشارة ميكروويف في آن واحد، مما يجعل الجهاز متوافقًا مع البنية التحتية الإلكترونية الحالية.

وضع الباحثون ابتكارهم قيد الاختبار في بيئة قاسية؛ حيث نقلوا الساعة إلى تمرين "حافة المحيط الهادئ" (Rim of the Pacific) لعام 2022، وهو تمرين بحري دولي ضخم يضم سفنًا وطائرات عبر المحيط الهادئ. تم نقل الوحدة عن طريق الجو والبحر، وعملت في الجزء الخلفي من مركبة متحركة، وعملت بشكل مستقل على سطح سفينة حربية. وطوال الرحلة والتمرين، بدأت الساعة بالعمل من تلقاء نفسها، وثبتت حلقاتها الداخلية، وبدأت في ضبط الوقت دون تدخل بشري. وعندما أعاد الفريق الجهاز إلى المختبر، قارنوا أداءه بساعات أخرى عالية الدقة. قبل الرحلة، أظهرت الساعة استقرارًا في التردد الجزئي قدره 1.9 × 10⁻¹³ بعد ثانية واحدة من القياس، وبعد 8,000 ثانية، وصلت إلى استقرار قدره 3.5 × 10⁻¹⁵. ويمثل هذا المستوى من الدقة إنجازًا كبيرًا لساعة بصرية محمولة، حيث يتفوق على أداء العديد من ساعات الميكروويف التجارية ويضاهي استقرار التصميمات البصرية أحادية اللون السابقة، مع ميزة إضافية وهي كونها جاهزة للعمل الميداني وبشكل مستقل تمامًا.

تشير النتائج إلى أن التكنولوجيا ناضجة بما يكفي للنشر العملي، رغم أن الباحثين لاحظوا أن الأداء انخفض قليلاً بعد النقل الدولي. ويعزون ذلك إلى مشكلة ميكانيكية في محاذاة حزم الضوء، والتي انحرفت بسبب اهتزازات السفر. وهذا ليس فشلًا للمفهوم، بل هو عقبة هندسية محددة يمكن إصلاحها في النسخ المستقبلية. ويعتقد الفريق أنه مع المزيد من التحسينات في التصميم الميكانيكي ودمج الدوائر الفوتونية، يمكن تقليل حجم ووزن واستهلاك الطاقة لهذه الأجهزة بشكل أكبر. إن العرض الناجح يمثل نقطة تحول، حيث يظهر أن الساعات الذرية البصرية لم تعد مجرد فضول مخبري، بل أصبحت أدوات قابلة للتطبيق في الملاحة، والبحث العلمي، والاتصالات الآمنة في البيئات التي قد تكون فيها إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) غير متوفرة أو غير موثوقة.