A low-volume cold-atom microwave clock with an additively manufactured cavity
यह शोध पत्र लेजर-कूल्ड Rb परमाणुओं और एक एडिटिवली मैन्युफैक्चर्ड कैविटी का उपयोग करके एक कॉम्पैक्ट, लो-वॉल्यूम माइक्रोवेव क्लॉक प्रस्तुत करता है, जो क्वाड्रेटिक ज़ीमन शिफ्ट को कम करने के लिए एक कम लागत वाले म्यू-मेटल फॉयल के कार्यान्वयन के माध्यम से 370 का सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो और 30,000 सेकंड पर की मिड-टर्म इनस्टेबिलिटी प्राप्त करता है।
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समय का रख-रखाव आधुनिक जीवन की अदृश्य वास्तुकला है। यह वैश्विक इंटरनेट को सिंक्रोनाइज़ करता है, महासागरों के पार जहाजों का मार्गदर्शन करता है, और बिजली ग्रिड को एक साथ सुचारू रूप से चलाने में मदद करता है। दशकों से, सबसे सटीक घड़ियाँ प्रयोगशालाओं में रखी गई बड़ी, नाजुक मशीनें रही हैं, जो एक सेकंड के बीतने को चिह्नित करने के लिए परमाणुओं के स्थिर कंपन पर निर्भर करती हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इन उपकरणों को छोटा करने का प्रयास कर रहे हैं, ताकि उनके अविश्वसनीय सटीकता से समझौता किए बिना ऐसे पोर्टेबल संस्करण बनाए जा सकें जो दूरस्थ स्थानों तक जा सकें या वाहनों के भीतर फिट हो सकें। चुनौती भौतिकी में निहित है: समय को पूरी तरह से बनाए रखने के लिए, परमाणुओं को परम शून्य (absolute zero) के करीब तापमान तक ठंडा करना पड़ता है और उन्हें मापने के लिए पर्याप्त समय तक स्थिर रखना पड़ता है, और यह सब करते हुए उन्हें मामूली चुंबकीय हस्तक्षेप से भी बचाना पड़ता है। इन परमाणु घड़ियों को बनाने और उनके वातावरण के साथ बातचीत करने के तरीके के पूर्ण पुनर्कल्पना की आवश्यकता है ताकि उन्हें एक छोटे, मजबूत पैकेज में प्राप्त किया जा सके।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक संक्षिप्त परमाणु घड़ी बनाकर इस प्रयास में एक महत्वपूर्ण कदम प्रदर्शित किया है, जो पिछले पोर्टेबल संस्करणों की तुलना में छोटी और अधिक स्थिर है। यह उपकरण रुबिडियम परमाणुओं के एक बादल पर निर्भर करता है, जिन्हें तब तक लेजर द्वारा ठंडा किया जाता है जब तक कि वे लगभग गतिहीन न हो जाएं। एक पारंपरिक सेटअप में, इस प्रक्रिया के लिए हर कोण से कूलिंग लेजर को निर्देशित करने के लिए दर्पणों और लेंसों की एक जटिल व्यवस्था की आवश्यकता होती है। यह नया डिज़ाइन उस जटिलता को एक एकल, सपाट चिप से बदल देता है जिसमें सूक्ष्म खांचे (grooves) उकेरे गए हैं। जब प्रकाश की एक किरण इस चिप से टकराती है, तो ये खांचे प्रकाश को विभाजित और पुनर्निर्देशित करते हैं ताकि परमाणुओं को फंसाया जा सके, जिससे बहुत कम ऑप्टिकल घटकों के साथ एक "मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप" बनता है। यह सरलीकरण घड़ी को इतना छोटा बनाने के लिए महत्वपूर्ण है कि इसे फील्ड में तैनात किया जा सके।
इन फंसे हुए परमाणुओं द्वारा रखे गए समय को मापने के लिए, शोधकर्ताओं को माइक्रोवेव का उपयोग करके परमाणुओं से एक प्रश्न पूछने और उनके उत्तर को सुनने के तरीके की आवश्यकता थी। उन्होंने परमाणुओं को माप के दौरान रखने के लिए एक विशेष कक्ष बनाया, जो एक छोटे बॉक्स के आकार का है। इस कक्ष को धातु के एक ठोस ब्लॉक से मशीन द्वारा तराशने के बजाय, उन्होंने इसे परत दर परत बनाने के लिए 3D प्रिंटर का उपयोग किया। यह "एडिटिवली मैन्युफैक्चर्ड" (परत-दर-परत निर्मित) कैविटी लगभग एक छोटी माचिस की डिब्बी के आकार की है, फिर भी यह माइक्रोवेव संकेतों के लिए एक आदर्श वातावरण बनाती है जहाँ वे परमाणुओं के साथ परस्पर क्रिया कर सकें। परमाणुओं को एक विशिष्ट अवस्था में तैयार किया जाता है, उन्हें माइक्रोवेव्स द्वारा जांचे जाने के दौरान एक सेकंड के अंश के लिए स्वतंत्र रूप से गिरने दिया जाता है, और फिर यह देखने के लिए मापा जाता है कि उनकी आंतरिक "टिक-टिक" में क्या परिवर्तन हुआ है।
इस नई घड़ी का प्रदर्शन प्रभावशाली था। शोधकर्ताओं ने यह मापा कि वे पृष्ठभूमि के शोर (background noise) से परमाणुओं के संकेत को कितनी स्पष्टता से अलग कर सकते हैं, जिसमें उन्होंने 370 का सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो पाया। यह उच्च स्पष्टता एक ऐसी अल्पकालिक स्थिरता (short-term stability) में परिवर्तित होती है जो बहुत बड़ी प्रणालियों के प्रतिस्पर्धी है। हालाँकि, घड़ी की दीर्घकालिक सटीकता को एक छिपे हुए अवरोध का सामना करना पड़ा। पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र, और यहाँ तक कि स्थानीय वातावरण में होने वाले मामूली उतार-चढ़ाव भी, परमाणुओं को धकेल सकते हैं और उन्हें उनकी वास्तविक आवृत्ति से विचलित कर सकते हैं। इस घड़ी के पिछले संस्करणों में, इस चुंबकीय हस्तक्षेप ने दस सेकंड से अधिक की अवधि के लिए समय बनाए रखने की इसकी क्षमता को सीमित कर दिया था। इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने परमाणुओं वाले वैक्यूम चैंबर को एक विशेष धातु की पतली, लचीली शीट में लपेट दिया जिसे चुंबकीय क्षेत्रों को रोकने के लिए डिज़ाइन किया गया था। यह कम लागत वाला कवच अत्यधिक प्रभावी था, जिसने परमाणुओं को परेशान करने वाले चुंबकीय शोर को दस गुना से अधिक कम कर दिया।
चुंबकीय हस्तक्षेप के दब जाने के बाद, शोधकर्ता घड़ी की वास्तविक सीमाओं को देख सके। उन्होंने पाया कि अगली बड़ी बाधा परमाणु स्वयं नहीं, बल्कि माइक्रोवेव कैविटी का तापमान था। जैसे-जैसे परमाणुओं को धारण करने वाला धातु का बॉक्स गर्म या ठंडा होता था, भले ही वह बहुत मामूली रूप से हो, घड़ी की आवृत्ति बदल जाती थी। तापमान और घड़ी के आउटपुट को एक साथ मॉनिटर करके, उन्होंने पुष्टि की कि ये थर्मल परिवर्तन मध्यम अवधि की अस्थिरता का प्राथमिक कारण थे। जब उन्होंने अपने डेटा से सबसे थर्मल रूप से स्थिर अवधियों का चयन किया, तो घड़ी ने कई घंटों के संचालन के दौरान केवल एक बहुत ही सूक्ष्म अंश तक विचलन करके उल्लेखनीय स्तर की सटीकता हासिल की।
यह कार्य सिद्ध करता है कि एक उच्च-प्रदर्शन वाली परमाणु घड़ी को एक सरलीकृत, स्केलेबल डिज़ाइन का उपयोग करके बनाया जा सकता है। परमाणुओं को फँसाने के लिए एक माइक्रो-फैब्रिकेटेड चिप और 3D-प्रिंटेड माइक्रोवेव कैविटी तथा एक सरल चुंबकीय कवच को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो संक्षिप्त है, निर्माण में आसान है और अत्यधिक स्थिर है। हालांकि वर्तमान संस्करण को अपनी पूरी क्षमता तक पहुँचने के लिए अभी भी तापमान नियंत्रण में सुधार की आवश्यकता है, लेकिन इसके परिणाम एक नई पीढ़ी की पोर्टेबल समय-रखने वाली घड़ियों की ओर एक स्पष्ट मार्ग दिखाते हैं। ये उपकरण उन क्षेत्रों में नेविगेशन प्रणालियों के लिए सटीक समय प्रदान करने के लिए, जहाँ उपग्रह संकेतों की उपलब्धता नहीं है, या दूरस्थ स्थानों में संचार नेटवर्क को सिंक्रोनाइज़ करने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं, जिससे प्रयोगशाला-ग्रेड की सटीकता वास्तविक दुनिया में आ सके।
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