تراشه‌ای انقلابی؛ GPS را ۱۰۰۰ برابر دقیق‌تر می‌کند!

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، ساعت‌های اتمی نوری این پتانسیل را دارند که دقت زمان‌سنجی و سیستم‌های GPS را تا ۱۰۰۰ برابر بهبود دهند و موجب افزایش دقت تلفن‌های همراه، رایانه‌ها و سیستم‌های ناوبری شوند. اما اندازه بزرگ و پیچیدگی این ساعت‌ها تاکنون مانع از استفاده گسترده آنها در خارج از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی شده است.

به گزارش ساینس دیلی، اکنون پژوهشگرانی از دانشگاه پردو آمریکا و دانشگاه فناوری چالمرز سوئد موفق به توسعه فناوری جدیدی مبتنی بر میکروکامب‌های تراشه‌ای شده‌اند. این نوآوری می‌تواند به طور قابل توجهی اندازه سیستم‌های ساعت اتمی نوری را کاهش داده و آنها را کاربردی‌تر و در دسترس‌تر کند. نتیجه این پیشرفت می‌تواند تحولات بزرگی در حوزه ناوبری، خودرو‌های خودران و پایش‌های ژئواسپاسیال ایجاد کند.

ساعت‌های اتمی: ستون فقرات زمان‌سنجی دقیق

امروزه بیش از ۴۰۰ ساعت اتمی در سراسر جهان، دقت بالای سامانه‌های GPS، رایانه‌ها و تلفن‌های همراه را تضمین می‌کنند. هر ساعت، چه مکانیکی، چه دیجیتالی یا اتمی، از دو بخش اصلی تشکیل شده است: نوسان‌ساز و شمارنده. نوسان‌ساز یک سیگنال منظم و تکراری تولید می‌کند و شمارنده این نوسانات را اندازه‌گیری می‌کند. در ساعت‌های اتمی، این نوسانات از حرکت الکترون‌های یک اتم بین دو سطح انرژی ناشی می‌شود که در فرکانسی فوق‌العاده دقیق رخ می‌دهد.

بیشتر ساعت‌های اتمی از فرکانس‌های مایکروویو برای تحریک این نوسانات استفاده می‌کنند. اما پژوهش‌های اخیر نشان داده‌اند که می‌توان از لیزر‌ها برای تولید این نوسانات به‌صورت نوری بهره برد. درست مانند خط‌کشی که دارای تقسیم‌بندی‌های ریزتری است و امکان اندازه‌گیری دقیق‌تری را فراهم می‌کند، ساعت‌های اتمی نوری نیز می‌توانند یک ثانیه را به بخش‌های بسیار کوچکتری تقسیم کنند و دقت زمان‌سنجی را هزار برابر افزایش دهند.

انقلابی در GPS و پایش‌های علمی

مینگهائو چی از دانشگاه پردو، یکی از نویسندگان مطالعه‌ای که به‌تازگی در مجله Nature Photonics منتشر شده، می‌گوید: "ساعت‌های اتمی امروزی دقت GPS را در حد چند متر تضمین می‌کنند. اما ساعت‌های اتمی نوری می‌توانند این دقت را تا چند سانتی‌متر افزایش دهند. این پیشرفت نه‌تنها موجب بهبود عملکرد خودرو‌های خودران و سیستم‌های موقعیت‌یابی الکترونیکی می‌شود، بلکه می‌تواند برای پایش تغییرات جزئی در سطح زمین، مانند فعالیت‌های آتشفشانی، مورد استفاده قرار گیرد. "

با این حال، ساعت‌های اتمی نوری موجود، به دلیل اندازه بزرگ و نیاز به تجهیزات پیچیده، تنها در آزمایشگاه‌ها کاربرد دارند و استفاده از آنها در محیط‌هایی مانند ماهواره‌ها، ایستگاه‌های تحقیقاتی دورافتاده یا پهپاد‌ها دشوار است. اما پژوهشگران دانشگاه پردو و چالمرز موفق به توسعه فناوری‌ای شده‌اند که این ساعت‌ها را به میزان قابل توجهی کوچک‌تر و قابل استفاده‌تر کرده است.

کوچک‌سازی سیستم با میکروکامب‌ها

هسته اصلی این فناوری جدید، استفاده از دستگاه‌های کوچک تراشه‌ای موسوم به میکروکامب است. این تراشه‌ها، مانند دندانه‌های یک شانه، طیفی از فرکانس‌های نوری را به‌طور یکنواخت تولید می‌کنند.

چی توضیح می‌دهد: "این فناوری به ما اجازه می‌دهد که یکی از فرکانس‌های میکروکامب را به یک فرکانس لیزری قفل کنیم و سپس این فرکانس را با نوسان ساعت اتمی همگام‌سازی کنیم. "

مشکل اصلی ساعت‌های اتمی نوری، فرکانس نوسان بسیار بالای آنها است که در محدوده صد‌ها تراهرتز قرار دارد، فرکانسی که برای مدار‌های الکترونیکی غیرقابل شمارش است. اما تراشه‌های میکروکامب که توسط محققان توسعه یافته‌اند، این چالش را حل کرده‌اند و در عین حال باعث کاهش چشمگیر اندازه سیستم ساعت اتمی شده‌اند.

ویکتور تورس کمپانی از دانشگاه چالمرز، یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: "تراشه‌های میکروکامب ما می‌توانند به عنوان یک پل بین سیگنال‌های نوری ساعت اتمی و فرکانس‌های رادیویی مورد استفاده برای شمارش نوسانات عمل کنند. علاوه بر این، اندازه بسیار کوچک این تراشه‌ها امکان کاهش ابعاد سیستم ساعت اتمی را فراهم می‌کند، در حالی که دقت فوق‌العاده آن حفظ می‌شود. "

حل چالش "خودارجاعی" با ترکیب دو میکروکامب

یکی از موانع دیگر، دستیابی همزمان به ویژگی "خودارجاعی" برای حفظ پایداری سیستم و همگام‌سازی دقیق فرکانس‌های میکروکامب با سیگنال‌های ساعت اتمی بود.

کاییی وو، نویسنده اصلی این مطالعه از دانشگاه پردو، توضیح می‌دهد: "مشخص شد که استفاده از یک میکروکامب کافی نیست. ما این چالش را با ترکیب دو میکروکامب حل کردیم. این دو میکروکامب دارای فواصل فرکانسی نزدیک به هم، اما با یک اختلاف کوچک (مثلاً ۲۰ گیگاهرتز) بودند. این اختلاف ۲۰ گیگاهرتزی به عنوان سیگنالی که به‌صورت الکترونیکی قابل تشخیص است، عمل می‌کند. به این ترتیب، توانستیم سیگنال دقیق زمان را از ساعت اتمی به یک فرکانس رادیویی قابل استفاده انتقال دهیم. "

یک گام به سوی ساعت‌های اتمی مبتنی بر تراشه

سیستم جدید همچنین از فوتونیک مجتمع استفاده می‌کند که به‌جای استفاده از اجزای نوری حجیم، از تراشه‌های کوچک بهره می‌برد.

وو می‌گوید: "فناوری فوتونیک مجتمع این امکان را فراهم می‌کند که اجزای نوری ساعت‌های اتمی، مانند شانه‌های فرکانسی، منابع اتمی و لیزرها، روی تراشه‌های بسیار کوچک در ابعاد میکرومتر تا میلی‌متر ادغام شوند. این امر موجب کاهش چشمگیر اندازه و وزن سیستم خواهد شد. "

مسیر تولید انبوه و استفاده روزمره

این نوآوری می‌تواند راه را برای تولید انبوه ساعت‌های اتمی نوری هموار کند و آنها را برای طیف گسترده‌ای از کاربرد‌های علمی و صنعتی مقرون‌به‌صرفه و قابل دسترس سازد.

تورس کمپانی در این زمینه می‌افزاید: "این پژوهش یک چالش مهم را حل کرده و یک معماری جدید معرفی کرده است. اما گام بعدی این است که تمام اجزای مورد نیاز، از جمله تعدیل‌کننده‌ها، آشکارساز‌ها و تقویت‌کننده‌های نوری را روی یک تراشه واحد قرار دهیم. "

او در پایان تأکید می‌کند: "امیدواریم پیشرفت‌های آینده در زمینه مواد و روش‌های ساخت، این فناوری را بیش از پیش بهبود بخشد و ما را به دنیایی نزدیک کند که در آن زمان‌سنجی فوق‌العاده دقیق، یک ویژگی استاندارد در تلفن‌های همراه و رایانه‌های ما باشد. "

این مطالعه در مجله Nature Photonics منتشر شده است.