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Gli scienziati del Regno Unito hanno creato un "motore eterno" per mantenere il ticchettio della prossima generazione di orologi atomici.
La tempistica precisa è essenziale per sistemi come la navigazione globale, la mappatura satellitare, la definizione della composizione degli esopianeti e le prossime generazioni di telecomunicazioni. Ma gli orologi atomici sono attualmente dispositivi enormi, del peso di centinaia di chilogrammi, che devono essere alloggiati in condizioni precise e difficili da mantenere.
Questo è il motivo per cui scienziati di tutto il mondo stanno gareggiando per costruire versioni portatili che funzioneranno in ambienti reali e potrebbero sostituire i sistemi di navigazione satellitare esistenti, come GPS e Galileo.
Ora, la ricerca intrapresa presso l'Università del Sussex e proseguita presso la Loughborough University ha risolto un grave ostacolo nello sviluppo di questi orologi atomici portatili, elaborando come "accendere" in modo affidabile il loro dispositivo di conteggio e mantenerli in funzione.
I micropettini sono una parte fondamentale dei futuri orologi atomici ottici:consentono di contare l'oscillazione del "pendolo atomico" nell'orologio, convertendo l'oscillazione atomica da centinaia di trilioni di volte al secondo in un miliardo di volte al secondo:una frequenza di gigahertz , che i moderni sistemi elettronici possono facilmente misurare.
Basati su microchip ottici compatibili con l'elettronica, i microcomb sono i migliori candidati per miniaturizzare la prossima generazione di cronometraggio ultrapreciso. Sono sorgenti di tecnologia laser all'avanguardia, costituite da linee laser ultraprecise, equidistanti nello spettro, che ricordano un pettine.
Questo spettro peculiare apre una serie di applicazioni che combinano il cronometraggio ultrapreciso e la spettroscopia che potrebbero portare alla scoperta di esopianeti o strumenti medici ultrasensibili basati semplicemente sulle scansioni del respiro.
"Niente di tutto questo sarà mai possibile se i micropettini sono così sensibili da non poter mantenere il loro stato anche se qualcuno entra in laboratorio", ha affermato la professoressa Alessia Pasquazi, che ha iniziato questo progetto finanziato da ERC ed EPSRC nel Sussex prima di trasferirsi a Loughborough con la sua squadra, il mese scorso.
In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Nature , la ricerca intrapresa presso l'Università del Sussex dalla prof.ssa Pasquazi e dal suo team ha identificato un modo per consentire al sistema di avviarsi da solo e rimanere in uno stato stabile, essenzialmente in auto-recupero.
"Abbiamo fondamentalmente un 'motore eterno', come Snowpiercer se lo guardi, che torna sempre allo stesso stato se succede qualcosa che lo interrompe", ha affermato il professor Pasquazi.
"Un microcomb ben educato utilizza un tipo speciale di onda, chiamato cavità-solitone, che non è facile da ottenere. Come il motore di un'auto a benzina, un micropettine preferisce rimanere in uno 'stato off.' Quando avvii la tua auto, hai bisogno di un motorino di avviamento che faccia girare il motore correttamente".
"Al momento, i micropettini non hanno un buon 'motore di avviamento'. È come avere la tua macchina con la batteria costantemente rotta, e hai bisogno di qualcuno che la spinga in discesa ogni volta che devi usarla, sperando che si avvii.Se immagini che di solito un monoblocco cavità scompare in un micropettine laser quando qualcuno parla semplicemente nella stanza, vedi che abbiamo un problema qui."
Il professor Marco Peccianti, che ha lavorato alla ricerca presso l'Università del Sussex e dirige l'Emergent Photonic Research Center presso la Loughborough University, ha aggiunto che "nel 2019 avevamo già dimostrato che potevamo utilizzare un diverso tipo di onda per ottenere micropettini".
"Li abbiamo chiamati solitoni di cavità laser perché abbiamo incorporato direttamente il microchip in un laser standard e abbiamo ottenuto un grande aumento dell'efficienza".
"Abbiamo dimostrato ora che il nostro solitone può essere trasformato naturalmente nell'unico stato del sistema e chiamiamo questo processo 'auto-emergenza'".
Il dottor Juan Sebastian Totero Gongora, ricercatore EPSRC in tecnologie quantistiche a Loughborough, ha spiegato che "funziona come un semplice sistema termodinamico, che è governato da "variabili globali", come temperatura e pressione".
"A pressione atmosferica, sei sempre sicuro di trovare acqua sotto forma di ghiaccio a -5 gradi o sotto forma di vapore sopra i 100 gradi, qualunque cosa sia successa prima alle molecole d'acqua".
Il dottor Maxwell Rowley, che ha conseguito il dottorato di ricerca. presso l'Università del Sussex sviluppando questo sistema con il Prof Pasquazi, e che ora collabora con CPI TMD Technologies, una divisione di Communications &Power Industries (CPI), dove continuano i lavori per commercializzare il microcomb, ha aggiunto che "allo stesso modo, quando impostiamo il corrente che guida il laser al valore appropriato, qui abbiamo la garanzia che il microcomb funzionerà nel nostro stato solitonico desiderato."
"È un sistema imposta e dimentica, un 'motore eterno' che ripristina sempre lo stato corretto".
L'articolo è stato pubblicato questa settimana in collaborazione con i colleghi dell'Università del Sussex, della City University di Hong Kong, dello Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, in Cina, della Swinburne University of Technology in Australia, dell'Institut national de la recherche scientifique (INRS) in Canada e l'Università di Strathclyde.
Il perseguimento di questa tecnologia è un obiettivo chiave del nuovo Emergent Photonics Laboratory Research Centre, che si concentrerà sulle tecnologie ottiche all'avanguardia a Loughborough.
Il microcomb è un componente fondamentale per la creazione di un riferimento temporale portatile e ultra preciso, indispensabile per l'attuale e la prossima generazione di telecomunicazioni (5 e 6G+ e comunicazioni in fibra), sincronizzazione di rete (ad es. rete elettrica) e ridurrà il nostro dipendenza dal GPS.
I micropettini auto-emergenti saranno utilizzati direttamente nei riferimenti di ioni calcio a base di fibre ottiche, perseguiti sotto il supporto di Innovate UK e la guida del professor Matthias Keller presso l'Università del Sussex con le tecnologie CPI TMD e in una più ampia collaborazione sulle tecnologie quantistiche, tra cui co-autore Professor Roberto Morandotti al Canadian Institut national de la recherche scientifique (INRS).
Il professor Pasquazi afferma che "i microcombinati dovrebbero rivoluzionare le reti di telecomunicazioni, che utilizzano molti colori diversi per trasferire quante più informazioni possibili".
"Mentre le reti attualmente utilizzano laser separati per ogni colore, i micropettini forniranno un'alternativa compatta ed efficiente dal punto di vista energetico, con la possibilità di trasferire anche un cronometraggio ultra preciso."
"La ricerca delle tecnologie di telecomunicazione di prossima generazione è uno degli obiettivi della nostra collaborazione con la Swinburne University e il coautore, il professor David Moss."
"Stiamo collaborando con il loro dipartimento di astronomia, si spera che un giorno questi 'righelli ottici' consentiranno la loro ricerca di esopianeti". + Esplora ulteriormente
