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

Tijd is de onzichtbare draad die de moderne beschaving bij elkaar houdt. Elke keer dat een smartphone verbinding maakt met een netwerk, een schip door de open oceaan navigeert, of een satelliet een signaal naar een ontvanger zendt, vertrouwt het op een klok die accuraat is tot binnen een miljardste van een seconde. Decennialang hebben de meest betrouwbare draagbare klokken microgolven gebruikt om te tikken, een technologie die ons goed heeft gediend maar nu zijn grenzen bereikt. Wetenschappers weten al lang dat het gebruik van licht in plaats van microgolven klokken kan creëren die veel stabieler zijn, maar deze "optische" klokken waren traditioneel massieve, fragiele machines die alleen in zorgvuldig gecontroleerde laboratoria werken. De uitdaging is geweest om deze delicate technologie te verkleinen tot een omvang die kan reizen, de schokken van een bewegend voertuig kan overleven en de tijd perfect kan bijhouden buiten de veiligheid van een laboratoriumtafel.

Een team onderzoekers van de Universiteit van Adelaide heeft succesvol een draagbare atoomklok gebouwd en getest die precies dat doet. Ze hebben een zelfstandige eenheid gecreëerd die in een standaard apparatuurrek past, ongeveer de grootte van een grote koffer, die autonoom in het veld kan werken. Dit apparaat gebruikt een specif kind type atoom, rubidium, en een slimme methode waarbij twee verschillende kleuren licht worden gebruikt om de tijd te meten. Door robuuste, kant-en-klare technologie die wordt gebruikt in de telecommunicatie te combineren met een op maat gemaakt systeem, hebben zij aangetoond dat een optische klok nu buiten het laboratorium kan functioneren. In tests uitgevoerd tijdens een grote internationale marineoefening hield de klok de tijd aan met een stabiliteit die wedijvert met de beste laboratoriuminstrumenten, wat bewijst dat de volgende generatie tijdsmeettechnologie klaar is voor de echte wereld.

Het hart van deze nieuwe klok is een glazen cel die een warme damp van rubidiumatomen bevat. Om de tijd te meten, schijnen de onderzoekers twee lasers in deze cel. De ene laser produceert licht met een golflengte van 780 nanometer, en de andere produceert licht van 776 nanometer. Wanneer een atoom gelijktijdig één foton van elk van deze lasers absorbeert, springt het naar een hogere energietoestand. Deze specifie af zijnde sprong is de "tik" van de klok. De onderzoekers ontwierpen het systeem om twee verschillende kleuren licht te gebruiken in plaats van slechts één kleur, een keuze die hen in staat stelt om veel minder laservermogen te gebruiken terwijl ze toch een sterk signaal krijgen. Wanneer de atomen deze sprong maken, vallen ze uiteindelijk weer terug, waarbij ze een flits van blauw licht van 420 nanometer uitzenden. De klok detecteert deze blauwe gloed; als de lasers perfect zijn afgestemd op de juiste frequentie, is de gloed het helderst. Als de lasers zelfs maar licht afwijken, vervaagt de gloed. Het systeem past de lasers voortdurend aan om de gloed op zijn piek te houden, waardoor de klok vastgelegd blijft op de exacte frequentie van de atomaire overgang.

Om dit werkend te krijgen in een draagbaar pakket, moest het team verschillende technische puzzels oplossen. De lasers zelf beginnen als infrarood licht dat door glasvezelkabels reist, vergelijkbaar met de internetinfrastructuur die wordt gebruikt voor wereldwijde communicatie. Binnen het apparaat worden deze infrarode stralen omgezet in het zichtbare licht van 780 en 776 nanometer dat nodig is om de atomen te exciteren. De gehele optische opstelling is ondergebracht in een metalen doos die ontworpen is om de delicate componenten te beschermen tegen trillingen en temperatuurveranderingen. Een cruciaal onderdeel van het systeem is een optische frequentiecomb, die fungeert als een liniaal voor licht, waardoor het apparaat de ongelooflijk snelle oscillaties van de lichtgolven kan vertalen naar een stabiel elektronisch signaal dat kan worden gebruikt door standaardcomputers en navigatiesystemen. Deze comb genereert zowel een stabiel optisch signaal als een microgolfsignaal, waardoor het apparaat compatibel is met de bestaande elektronische infrastructuur.

De onderzoekers zetten hun creatie op de proef in een veeleisende omgeving. Ze namen de klok mee naar de 2022 Rim of the Pacific oefening, een enorme internationale marineoefening met schepen en vliegtuigen over de Stille Oceaan. De eenheid werd getransporteerd per lucht en zee, werd bediend in de achterkant van een bewegend voertuig en draaide autonoom op het dek van een marineschip. Tijdens de reis en de oefening startte de klok uit zichzelf op, stabiliseerde zijn interne lussen en begon de tijd bij te houden zonder menselijke tussenkomst. Toen het team het apparaat terugbracht naar het laboratorium, vergeleken ze de prestaties ervan met andere zeer nauwkeurige klokken. Vóór de reis vertoonde de klok een fractionele frequentiestabiliteit van 1,9 × 10⁻¹³ na één seconde meting. Na 8.000 seconden bereikte het een stabiliteit van 3,5 × 10⁻¹⁵. Dit niveau van precisie is een aanzienlijke prestatie voor een draagbare optische klok, waarmee het de prestaties van veel commerciële microgolfklokken overtreft en de stabiliteit van eerdere enkelkleurige optische ontwerpen evenaart, maar dan met het extra voordeel van volledig autonoom en klaar voor gebruik in het veld te zijn.

De resultaten wijzen erop dat de technologie volwassen genoeg is voor praktische inzet, hoewel de onderzoekers opmerkten dat de prestaties licht daalden na het internationale transport. Zij schrijven deze kleine degradatie toe aan een mechanisch probleem in de uitlijning van de lichtbundels, die verschoof door de trillingen van het reizen. Dit is geen falen van het concept, maar eerder een specifieke technische hindernis die in toekomstige versies kan worden opgelost. Het team gelooft dat met verdere verfijningen aan het mechanische ontwerp en de integratie van fotonische circuits, de grootte, het gewicht en het energieverbruik van deze apparaten nog verder kunnen worden verminderd. De succesvolle demonstratie markeert een keerpunt, waarbij wordt aangetoond dat optische atoomklokken niet langer slechts laboratoriumcuriositeiten zijn, maar levensvatbare instrumenten worden voor navigatie, wetenschappelijk onderzoek en veilige communicatie in omgevingen waar GPS-signalen mogelijk niet beschikbaar of onbetrouwbaar zijn.