I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno utilizzato orologi atomici all'avanguardia, rilevatori di luce avanzati, e uno strumento di misurazione chiamato pettine di frequenza per aumentare di 100 volte la stabilità dei segnali a microonde. Questo segna un passo da gigante verso una migliore elettronica per consentire una diffusione dell'ora più accurata, navigazione migliorata, comunicazioni più affidabili e immagini a più alta risoluzione per radar e astronomia. Migliorare la consistenza del segnale a microonde in un periodo di tempo specifico aiuta a garantire un funzionamento affidabile di un dispositivo o sistema.

Il lavoro trasferisce la già superba stabilità degli orologi atomici da laboratorio all'avanguardia operanti a frequenze ottiche alle frequenze delle microonde, che sono attualmente utilizzati per calibrare l'elettronica. I sistemi elettronici non sono in grado di contare direttamente i segnali ottici, quindi la tecnologia e le tecniche del NIST trasferiscono indirettamente la stabilità del segnale degli orologi ottici al dominio delle microonde. La manifestazione è descritta nel 22 maggio, 2020, problema di Scienza .

Nella loro configurazione, i ricercatori hanno usato il "ticchettio" di due degli orologi a reticolo di itterbio del NIST per generare impulsi luminosi, così come pettini di frequenza che fungono da ingranaggi per tradurre accuratamente gli impulsi ottici a frequenza più elevata in segnali a microonde a frequenza più bassa. I fotodiodi avanzati convertono gli impulsi luminosi in correnti elettriche, che a sua volta ha generato un 10 gigahertz (GHz, o un miliardo di cicli al secondo) segnale a microonde che seguiva esattamente il ticchettio degli orologi, con un errore di appena una parte su un quintiglione (1 seguito da 18 zeri). Questo livello di prestazioni è pari a quello di entrambi i clock ottici e 100 volte più stabile delle migliori sorgenti a microonde.

"Anni di ricerca, inclusi importanti contributi del NIST, hanno portato a fotorivelatori ad alta velocità che ora possono trasferire la stabilità dell'orologio ottico al dominio delle microonde, " Il ricercatore capo Frank Quinlan ha detto. "Il secondo importante miglioramento tecnico è stato nel tracciamento diretto delle microonde con alta precisione, combinato con un sacco di know-how nell'amplificazione del segnale."

Le onde ottiche sono più corte, cicli più veloci rispetto alle microonde, quindi hanno forme diverse. Nel convertire le onde ottiche stabili in microonde, i ricercatori hanno monitorato la fase, il momento esatto delle onde, per assicurarsi che fossero identiche, e non spostati l'uno rispetto all'altro. L'esperimento ha monitorato i cambiamenti di fase con una risoluzione corrispondente a solo un milionesimo di ciclo.

"Questo è un campo in cui il solo raddoppio della stabilità delle microonde può richiedere anni o decenni per essere raggiunto, "Il leader del gruppo Chris Oates ha detto. "Cento volte meglio è quasi insondabile".

Alcuni componenti del sistema NIST, come i pettini di frequenza e i rilevatori, sono ora pronti per essere utilizzati nelle applicazioni sul campo, ha detto Quinlan. Ma i ricercatori del NIST stanno ancora lavorando al trasferimento di orologi ottici all'avanguardia su piattaforme mobili. Gli orologi all'itterbio, che operano a frequenze di 518 terahertz (trilioni di cicli al secondo), attualmente occupano grandi tavoli in ambienti di laboratorio altamente controllati.

I segnali elettronici ultra stabili potrebbero supportare applicazioni diffuse, compresa la futura calibrazione degli orologi elettronici, come dispositivi elettrici alimentati da cristalli di quarzo oscillanti. Questa è una considerazione importante per la ridefinizione dello standard temporale internazionale, il SI secondo, ora basato sulle frequenze delle microonde assorbite dagli atomi di cesio negli orologi convenzionali. Negli anni a venire, la comunità scientifica internazionale dovrebbe selezionare un nuovo standard temporale basato su frequenze ottiche che altri atomi, come l'itterbio, assorbire. Segnali super stabili potrebbero anche rendere più affidabili i sistemi di comunicazione wireless.

I segnali elettronici derivati ​​otticamente potrebbero rendere i sistemi di imaging più sensibili. Sensibilità radar, in particolare per oggetti che si muovono lentamente, è ora limitato dal rumore delle microonde e potrebbe essere notevolmente migliorato. Nuovi fotodiodi, prodotto in collaborazione tra il NIST e l'Università della Virginia, convertire i segnali ottici in segnali a microonde in modo più prevedibile e con un rumore inferiore rispetto ai progetti precedenti. Inoltre, le microonde potrebbero trasportare segnali da orologi ottici distanti per applicazioni nella navigazione e nella ricerca fisica fondamentale.

Imaging astronomico e geodesia relativistica, che misura la forma gravitazionale della Terra, si basano ora sul rilevamento di segnali a microonde nei ricevitori di tutto il mondo e sulla loro combinazione per formare immagini di oggetti. La calibrazione remota di questi ricevitori potrebbe consentire di spostare la rete dalla Terra nello spazio, che migliorerebbe la risoluzione dell'immagine ed eviterebbe distorsioni atmosferiche che limitano il tempo di osservazione. Con ore di osservazione invece di secondi, i ricercatori potrebbero immaginare molti più oggetti.