휴대용 광학 원자시계, 상업 데뷔 - Physics World

원자는 세계에서 가장 정확한 시간 측정 장치입니다. 초는 세슘 기반 원자 시계의 정확히 9틱으로 정의됩니다. 이러한 원자적으로 정밀한 시계의 상용 버전은 GPS, 내비게이션, 데이터 전송 및 금융 시장을 뒷받침하며 마이크로파 주파수 또는 초당 수십억 개의 틱톡으로 작동합니다. 하루가 지나면 그들의 시간 기록은 192나노초 미만으로 오차가 발생합니다.

하지만 차세대 원자시계는 훨씬 더 정확합니다. 이러한 실험실 기반 구성은 광 주파수에서 실행됩니다. 즉, 초당 수십조 번 틱합니다. 그 중 최고는 10펨토초(10^-15 s) 하루 후, 또는 50억년 후 XNUMX초 이내. 그리고 곧 처음으로 자신만의 제품을 구입할 수 있게 될 것입니다. 미국 캘리포니아에 본사를 둔 스타트업인 Vector Atomic이 시장 최초의 휴대용 광학 시계.

“오늘날 구입할 수 있는 유일한 시계는 전자레인지 시계뿐입니다.”라고 말합니다. 조나단 호프만, 미국 국방고등연구계획국(DARPA)의 프로그램 관리자가 연구 자금을 지원했습니다. “광학적 전환으로 가면 정밀도, 정확성 및 성능이 크게 향상되지만 동시에 일반적으로 엄청나게 복잡해집니다. 행복한 타협점을 찾는 것이 진정한 전투입니다.”

올바른 원자 찾기

광학 시계와 이전 마이크로파 시계의 주요 차이점은 레이저입니다. 가능한 가장 정확한 시계를 만들기 위해 과학자들은 가장 좁은 원자 전이를 제공하는 원자(보통 스트론튬 또는 이테르븀)를 사용하고 해당 원자의 특정 요구 사항에 맞게 레이저 시스템을 설계합니다. 원자는 진공 챔버에 보관되며 다른 레이저를 사용하여 원자를 냉각하고 가두는 반면 다른 레이저는 바람직하지 않은 전환을 차단하거나 시계에 사용되는 원하는 전환을 조사합니다. 총 XNUMX개에 달하는 이 모든 레이저는 정확한 주파수로 안정화되어야 하며 이를 유지하려면 지속적인 감독이 필요합니다.

덜 정확하지만 더 견고하고 휴대성이 뛰어난 광학 시계 버전을 만들기 위해 Vector Atomic CEO이자 공동 창립자 자밀 아보 셰어 다른 접근 방식을 취해야 했습니다. "원자 주위에 시스템을 설계하는 대신 우리는 레이저 주위에 시스템을 설계했습니다."라고 그는 말합니다.

Abo-Shaeer는 현존하는 레이저 중 가장 견고하고 오랜 시간 테스트를 거친 레이저는 통신 및 산업 기계 가공에 사용되는 레이저라고 설명합니다. 수년(또는 수십 년)의 상업적 R&D 덕분에 그들은 매우 작고 안정적이며 그와 그의 팀은 이에 적합한 원자 종인 분자 요오드를 선택했습니다. 이 분자는 기계 가공에 일반적으로 사용되는 주파수가 두 배로 증가된 적외선 레이저 근처에서 편리한 전이를 갖습니다. 또한 팀은 원자를 극한의 온도로 냉각시키거나 초고진공에 가두는 것을 피하는 간단한 증기 셀 설정을 선택했습니다.

그 결과 팀에서는 에버그린(Evergreen)이라고 부르는 턴키 방식의 광학 시계가 탄생했습니다. 이 시계는 부피가 단 30리터에 불과합니다. 이는 레코드 플레이어 크기와 비슷합니다. Evergreen의 타이밍 정밀도는 실험실 기반의 최신 기술과는 거리가 멀지만 비슷한 크기의 기존 전자레인지 시계보다 100배 더 정확합니다. 또한 환경 소음에 극도로 민감한 대형 냉장고 크기의 장치인 수소 메이저 기반 시계의 성능과도 일치합니다.

해상 시험

2022년 여름, 에버그린 프로토타입이 테스트를 위해 해상 선박에 XNUMX주 동안 탑승했습니다. 이 기간 동안 시계는 아무런 개입 없이 작동했습니다. 돌아와서 팀은 시계의 성능을 테스트한 결과 선박의 난기류와 온도 변화에도 불구하고 시계 성능이 크게 저하되지 않은 것으로 나타났습니다. 호프만은 “그 일이 일어났을 때 모두가 일어나 옥상에서 소리쳐야 한다고 생각했다”고 말했다. “내 말은, 사람들은 수십 년 동안 이 광학 시계를 연구해 왔다는 뜻입니다. 그리고 광학 시계가 인간의 간섭 없이 스스로 작동하는 현실 세계 최초의 사례였습니다.”

Abo-Shaeer에 따르면 Evergreen의 크기와 안정성은 특히 GPS 신호가 차단되거나 스푸핑될 때 네비게이션에 이러한 시계를 널리 채택할 수 있는 길을 열었습니다. 데이터 센터 및 통신 프로토콜에서; 과학적 목적으로 원격 탐지기의 신호를 동기화하는 데 사용됩니다. 현재 GPS의 정확도는 약 XNUMX미터이지만 위성의 보다 정확한 타이밍을 통해 이를 몇 센티미터 이하로 낮출 수 있어 자율주행차가 차선을 유지하거나 배달 드론이 발코니에 착륙할 수 있습니다. Abo-Shaeer는 시간을 더 작은 조각으로 나눌 수 있으면 더 높은 대역폭의 통신이 가능하다고 덧붙였습니다.

휴대용 광학 격자 시계로 고도 측정

이 특정 시계가 차세대 GPS와 더 빠른 데이터 전송을 지원하는 시계인지 여부는 아직 밝혀지지 않았습니다. 그러나 그럼에도 불구하고 기술 발전은 중요하다고 말합니다. 엘리자베스 돈리, 콜로라도주 볼더에 있는 미국 국립표준기술연구소(NIST) 시간 및 주파수 부문 책임자입니다. Vector Atomic의 작업에 참여하지 않은 Donley는 "향후 XNUMX년 동안 시장에 출시될 수 있는 다른 유형의 광학 시계가 잠재적으로 많이 있을 것"이라고 말합니다. "이 것의 핵심은 요오드 증기 전지이지만 인프라는 다른 유형의 시계에도 사용할 수 있습니다."

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• 출처: https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/