توسعه ساعت اتمی برای ابزارهای قابل حمل

گروه اول محققان موسسه ملی علوم و فناوری آمریکا (NIST) هستند که توسط دانشگاه استنفورد و آزمایشگاه‌های چارلز استارک دارپر (Charles Stark Draper Laboratories) پشتیبانی می‌شوند. این افراد نمونه‌ای آزمایشگاهی از ساعت اتمی نوری را به نمایش گذاشتند که تنها به اندازه‌ی 3 تراشه‌ی کوچک است. برخلاف ساعت‌های اتمی استاندارد که با امواج مایکرو کار کرده و ارتعاشات اتم سزیم را شناسایی می‌کنند، ساعت‌های اتمی نوری در فرکانس‌های بالاتری عمل می‌کنند. این ویژگی دقت بیشتری را ارائه می‌دهد؛ زیرا زمان به واحدهای کوچک‌تری تقسیم شده است.

ساعت موسسه ملی علوم و فناوری برای ردیابی اتم‌های روبیدیم محصور در یک ظرف شیشه‌ای از لیزر بهره می‌گیرد. این محفظه 3 میلی‌متر طول داشته و بالای تراشه‌ی سیلیکونی قرار داده می‌شود. در هسته‌ی این ساعت دو شانه‌ی فرکانسی قرار دارند که به مانند چرخ دهنده فرکانس‌های بالای اتم روبیدیم را به امواج مایکرو تبدیل می‌کنند؛ زیرا بیشتر سیستم‌های ناوبری (PNT) امواج مایکرو را به رسمیت می‌شناسند. به علاوه به منظور ارائه‌ی دقت بالاتری نسبت به نمونه‌های فعلی «ساعت‌های اتمی در ابعاد تراشه» (حدود 50 برابر بهتر) از مقدار کمی انرژی بهره می‌گیرند. این انرژی تنها 275 میلی وات است.

به علاوه شیوه‌ی ساخت ساعت اتمی نوری موسسه یاد شده بسیار به توسعه اجزای کلیدی تراشه‌های رایانه‌ای امروزی شباهت دارد؛ بنابراین امکان ادغام آن با تجهیزات الکتریکی و نوری و آغاز به تولید انبوه آن وجود دارد.

گروه دوم پژوهشگران هانیول هستند که با دانشگاه کالیفرنیا همکاری می‌کنند. هدف آن‌ها توسعه‌ی حسگرهای اتمی بسیار دقیق برای دستیابی به ساعت‌های اتمی مینیاتوری است. تله‌های اتمی مینیاتوری امروزی با اجزا نوری مانند لنزها و آینه‌ها ساخته می‌شوند که وجود آن‌ها در سیستم‌های نوری ضروری است.

حسگرهای اتمی هانیول به تله‌های مغناطیسی-نوری (MOT) وابسته هستند. این حسگرها نیاز به تنظیم 3 بعدی پرتوهای لیزر دارند که از جهات مختلف تابانده شده و دقیقاً از یک نقطه عبور می‌کنند.

پژوهشگران برای دستیابی به پیکربندی دقیق بالا بدون نیاز به استفاده از لنز و آینه، نوعی تراشه نوری یکپارچه تولید کردند که نور را به اطراف مدار نوری هدایت می‌کند. این کار کاملاً مشابه با هدایت سیگنال‌های الکتریکی در تراشه‌های رایانه‌ای امروزی انجام می‌گیرد.

تراشه نوری مذکور 3 پرتو بزرگ را در یک ترتیب 3 بعدی مناسب قرار می‌دهد تا تله‌های مغطناطیسی-نوری ساخته شوند. از ترکیب پرتوهای لیزری با مجموعه‌ای از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی، به عنوان منبعی برای ایجاد تله‌ی اتمی روبیدیم بهره گرفته می‌شود تا بتوان یک ساعت اتمی مینیاتوری دقیق و پیشرفته ایجاد کرد.

فناوری یاد شده نه تنها از وزن، ابعاد و انرژی موردنیاز سامانه‌های لیزری می‌کاهد؛ بلکه هزینه‌ی ساخت مجموعه‌ای از سامانه‌های نوری پیچیده را نیز به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

گروه سوم نیز پژوهشگرانی از آزمایشگاه پیشرانه‌ی جت ناسا (JPL) هستند که توسط اس آر آی اینترنشنال (SRI International)، دانشگاه‌های کالیفرنیا در داویس و دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین پشتیبانی می‌شوند. این افراد ساعتی اتمی را به نمایش گذاشتند که علاوه بر توانایی برای دستیابی به هدف پروژه‌ی دارپا در برابر دما و مسائل زیست‌محیطی نیز ایمن است.

محققان با بهره‌گیری از تحقیقات توسعه ساعت اتمی «دیپ اسپیس» (Deep Space Atomic Clock)، یک رویکردی یونی را برای خنک‌سازی اتم در پیش گرفته‌اند. در این رویکرد به جای لیزر از جیوه یونیزه شده و لامپ‌های ماورا بنفش بهره گرفته می‌شود.

ساعت اتمی محققان ناسا، دقتی 100 برابر بیشتر از نمونه‌های فعلی ارائه می‌دهد. از طرفی به علت استفاده از جیوه حساسیت کمتری نسبت به میدان مغناطیسی و تغییرات دما از خود نشان می‌دهد.