Un team di ricercatori di ingegneria di UCLA e OEWaves ha sviluppato un micro-oscillatore ottico, un componente chiave di cronometraggio degli orologi che potrebbe migliorare notevolmente l'accuratezza del cronometraggio, che è essenziale per l'uso in veicoli spaziali, rilevamento automobilistico o comunicazioni satellitari.

Un oscillatore ottico è simile a un pendolo in un orologio a pendolo, solo invece di un movimento oscillatorio per tenere il tempo, il suo "tick" è l'altissima frequenza del laser, o cicli al secondo. Questo "pendolo ottico" è una luce laser confinata in un risonatore molto silenzioso che consente alla luce di rimbalzare avanti e indietro senza perdere la sua energia. Questa classe di oscillatori ottici è estremamente accurata. Però, sono grandi dispositivi autonomi, delle dimensioni di un forno da cucina di casa, e devono essere mantenuti in condizioni di laboratorio completamente stabili.

Il nuovo oscillatore ha una stabilità da laboratorio, ed è abbastanza piccolo e leggero da essere potenzialmente incorporato nei satelliti, in auto per una navigazione super accurata, per misurazioni di altissima precisione, o anche un dispositivo di tutti i giorni come uno smartphone. Il miglioramento è di ordini di grandezza migliore rispetto al migliore attualmente disponibile al di fuori di un laboratorio, che sono oscillatori al cristallo di quarzo negli orologi da polso di lusso, computer e smartphone. Il nuovo dispositivo sfrutta anche un fenomeno scoperto nella cattedrale di St. Paul a Londra.

I ricercatori suggeriscono che questo potrebbe essere utilizzato in orologi atomici miniaturizzati per veicoli spaziali e satelliti, per i quali la tempistica precisa è importante per la navigazione. Potrebbe essere utilizzato per il rilevamento di precisione della distanza e della rotazione per auto e altri veicoli e nella spettroscopia ottica ad alta risoluzione, che viene utilizzato per l'immagine di strutture molecolari e atomiche.

"Qualsiasi fluttuazione di temperatura o pressione può modificare le dimensioni degli oscillatori, e quindi cambia la distanza percorsa dalla luce laser, e quindi, la precisione dell'oscillazione, " ha detto Chee Wei Wong, professore di ingegneria elettrica presso la UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science e il principale investigatore della ricerca.

Pensa a quando un telaio della porta si espande o si contrae a causa delle variazioni di temperatura. Alle minuscole scale degli oscillatori ottici, anche il più piccolo cambiamento di dimensione può influire sulla sua precisione.

Il nuovo oscillatore del team di ricerca è preciso e stabile. La frequenza di oscillazione della luce non cambia più di 0,1 parti per miliardo. Allo stesso tempo, hanno ridotto le dimensioni dell'oscillatore a solo 1 centimetro cubo di volume.

"Il laser stabilizzato in miniatura dimostrato in questo lavoro è un passo fondamentale nella riduzione delle dimensioni, peso e potenza degli orologi ottici, e per rendere possibile la loro disponibilità al di fuori del laboratorio e per applicazioni sul campo, " disse il liuto Maleki, CEO di OEwaves.

L'oscillatore ottico del team di ricerca è da tre a cinque volte più stabile dei dispositivi esistenti in quanto non viene influenzato durante i cambiamenti estremi di temperatura e pressione. Sulla base dei risultati sperimentali, i ricercatori suggeriscono anche che la sua stabilità potrebbe essere fino a 60 volte migliore.

"Generalmente, anche minime variazioni della temperatura o della pressione atmosferica introducono un'incertezza di misura di un ordine di grandezza maggiore degli effetti osservati, " disse Jinkang Lim, un ricercatore post-dottorato dell'UCLA nel Laboratorio di ottica mesoscopica ed elettronica quantistica e autore principale dello studio. "Abbiamo progettato con cura il nostro risonatore e l'abbiamo isolato dalle fluttuazioni ambientali. Poi abbiamo osservato i minimi cambiamenti e abbiamo visto che è rimasto stabile, anche con cambiamenti ambientali.

"Questo minuscolo oscillatore potrebbe portare a dispositivi di misurazione e navigazione sul campo, dove la temperatura e la pressione non sono controllate e cambiano drasticamente, " ha aggiunto Lim. "Questo nuovo micro-oscillatore potrebbe mantenere la sua precisione, anche con condizioni ambientali ostili."

Il microoscillatore ottico, funziona a questo livello di precisione perché confina la luce laser all'interno di se stessa utilizzando la cosiddetta risonanza "whispering gallery-mode", così chiamato per le somiglianze con il modo in cui qualcuno può sussurrare qualcosa contro le pareti della cupola della cattedrale di St. Paul di Londra, dove questo fenomeno è stato segnalato per la prima volta, che sarà completamente udibile sul lato opposto. Il fenomeno è anche nella Grand Central Station di New York. In questo caso, l'onda di luce laser si propaga lungo l'interno appositamente progettato del micro-risonatore. Inoltre, la frequenza rimane stabile poiché il microrisuonatore resiste ai cambiamenti di temperatura e pressione. Finalmente, le oscillazioni luminose stesse sono molto distinte, piuttosto che "sfocato".