“永恆引擎”激發下一代超精密原子鐘

長三角G60激光聯盟導讀

據悉，英國科學家創造了一個“永恆的引擎”，讓下一代原子鐘繼續運轉。

來源：Pixabay/CC0 Public Domain

精確計時對於全球導航、衛星測繪、建立系外行星組成和下一代電信等系統至關重要。但原子鐘目前是巨大的設備，重達數百公斤，需要安裝在精確、難以維護的條件下。

這就是爲什麼來自世界各地的科學家正在競相製造可在現實環境中使用的便攜式版本，並可能取代現有的衛星導航系統，如GPS和Galileo。

現在，在Sussex大學進行的研究以及Loughborough大學繼續進行的研究已經解決了這些便攜式原子鐘發展中的一個主要障礙，解決了如何可靠地“打開”它們的計數設備並使其保持運行。

空腔孤子的自然發生。

Microcombs是未來光學原子鐘的基本組成部分。Microcombs允許人們計算鍾中“原子鐘擺”的振盪，將每秒數百萬億次的原子振盪轉換爲每秒十億次的頻率，這是現代電子系統可以輕鬆測量的頻率。

基於電子兼容的光學微芯片，微控制器是下一代超精密計時裝置小型化的最佳選擇。它們是尖端激光技術源，由超精密激光線組成，在光譜中等距分佈，類似梳狀。

這一獨特的光譜開啓了一系列應用，將超精密計時和光譜學相結合，可能導致發現系外行星，或者僅僅基於呼吸掃描的超靈敏醫療儀器。

空腔孤子自然起始和固有穩定性的工作原理。

“如果microcombs如此敏感，即使有人剛進入實驗室，它們也無法保持狀態，那麼這一切都不可能實現，”Alessia Pasquazi教授說。

在《自然》雜誌上發表的一篇新論文中，Pasquazi教授和她的團隊在Sussex大學進行的研究發現了一種方法，可以讓系統自行啓動，並保持在一種基本上自我恢復的穩定狀態。

Pasquazi教授說:“我們基本上有一個‘永恆的引擎’，就像你看了Snowpiercer一樣，如果發生了什麼干擾，它總是會回到原來的狀態。”

狀態圖。

“一個性能良好的microcombs使用一種特殊類型的波，稱爲空腔孤子，這是不容易得到的。就像汽油車的引擎一樣，microcombs也喜歡處於“非狀態”。當你啓動汽車時，你需要一個啓動馬達，讓引擎正常旋轉。而目前，microcombs沒有良好的‘啓動馬達’。”

在Sussex大學從事這項研究的Marco Peccianti教授補充說:“2019年，我們已經證明了可以使用一種不同類型的波來獲得微梳。”Marco Peccianti教授是Loughborough大學新成立的應急光子研究中心的負責人。

“我們稱它們爲激光空腔孤子，因爲我們直接將微芯片嵌入到標準激光器中，從而獲得了效率的極大提升。我們現在已經證明，我們的孤子可以自然地變成系統的唯一狀態，我們把這個過程稱爲‘自我出現’。”

EPSRC量子技術研究員 Juan Sebastian Totero Gongora博士解釋說:“它就像一個簡單的熱力學系統，受溫度和壓力等‘全局變量’的控制。在大氣壓下，無論水分子以前發生了什麼變化，在零下5度時，你總是肯定會發現水是冰，在100度以上時，你總是會發現水是蒸汽。”

狀態圖光學增益和內腔功率測量。

Maxwell Rowley博士在Sussex 大學和Pasquazi教授一起開發了這個系統，他現在在CPI TMD技術公司工作，該公司是通信與電力工業(CPI)的一個部門，繼續將微型梳商業化。他補充說:“類似地，當我們將驅動激光的電流設置到合適的值時，我們可以保證微型梳在我們想要的孤子狀態下工作。這是一個設置和遺忘系統——一個總是能恢復正確狀態的‘永恆引擎’。”

研究這種技術是新成立的Emergent Photonics實驗室研究中心的一個關鍵目標，該中心將專注於拉夫堡的前沿光學技術。

microcombs是創建便攜式、超精確時間基準的核心組件，是當前和下一代電信(5、6G+和光纖通信)、網絡同步(如電網)所急需的，它將減少我們對GPS的依賴。

這種自發microcombs將直接用於基於光纖的鈣離子參考材料，該研究由Innovate UK支持，蘇塞克斯大學Matthias Keller教授領導，採用CPI TMD技術，並在量子技術方面進行更廣泛的合作，包括加拿大國家科學研究院(INRS)的合著者Roberto Morandotti教授。

分析穩定狀態的頻率位置。

Pasquazi教授說:“microcombs有望徹底改變電信網絡，因爲電信網絡使用許多不同的顏色來傳輸儘可能多的信息。雖然目前的網絡對每種顏色都使用單獨的激光器，但microcombs 將提供一種緊湊、節能的替代方案，還可能傳輸超精確的計時。”

“追求下一代電信技術是我們與Swinburne大學和合著者David Moss教授合作的目標之一。我們正在與他們的天文部門合作，希望有一天這些‘光學尺子’能夠幫助他們尋找系外行星。”

來源：Self-emergence of robust solitons in a microcavity, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04957-x