Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han utilizado relojes atómicos de última generación, detectores de luz avanzados, y una herramienta de medición llamada peine de frecuencia para aumentar 100 veces la estabilidad de las señales de microondas. Esto marca un paso de gigante hacia una mejor electrónica para permitir una difusión de la hora más precisa, navegación mejorada, Comunicaciones más confiables e imágenes de mayor resolución para radar y astronomía. Mejorar la consistencia de la señal de microondas durante un período de tiempo específico ayuda a garantizar el funcionamiento confiable de un dispositivo o sistema.

El trabajo transfiere la ya excelente estabilidad de los relojes atómicos de laboratorio de vanguardia que operan en frecuencias ópticas a frecuencias de microondas, que se utilizan actualmente para calibrar la electrónica. Los sistemas electrónicos no pueden contar directamente señales ópticas, por lo que la tecnología y las técnicas del NIST transfieren indirectamente la estabilidad de la señal de los relojes ópticos al dominio de microondas. La manifestación se describe en el 22 de mayo de 2020, cuestión de Ciencias .

En su configuración, los investigadores utilizaron el "tic-tac" de dos de los relojes de celosía de iterbio del NIST para generar pulsos de luz, así como peines de frecuencia que sirven como engranajes para traducir con precisión los pulsos ópticos de alta frecuencia en señales de microondas de baja frecuencia. Los fotodiodos avanzados convirtieron los pulsos de luz en corrientes eléctricas, que a su vez generó 10 gigahercios (GHz, o mil millones de ciclos por segundo) señal de microondas que rastreó exactamente el tic-tac de los relojes, con un error de solo una parte en un quintillón (1 seguido de 18 ceros). Este nivel de rendimiento está a la par con el de ambos relojes ópticos y es 100 veces más estable que las mejores fuentes de microondas.

"Años de investigación, incluyendo importantes contribuciones del NIST, han dado lugar a fotodetectores de alta velocidad que ahora pueden transferir la estabilidad del reloj óptico al dominio de microondas, ", dijo el investigador principal Frank Quinlan." La segunda mejora técnica importante fue el seguimiento directo de las microondas con alta precisión, combinado con muchos conocimientos técnicos en amplificación de señales ".

Las ondas ópticas tienen ondas más cortas, ciclos más rápidos que los microondas, por lo que tienen diferentes formas. Al convertir ondas ópticas estables en microondas, los investigadores rastrearon la fase (el momento exacto de las ondas) para asegurarse de que fueran idénticas, y no desplazados entre sí. El experimento siguió los cambios de fase con una resolución correspondiente a solo una millonésima parte de un ciclo.

"Este es un campo en el que duplicar la estabilidad de las microondas puede llevar años o décadas. ", dijo el líder del grupo Chris Oates." Cien veces mejor es casi insondable ".

Algunos componentes del sistema NIST, como los peines y detectores de frecuencia, están listos para ser utilizados en aplicaciones de campo ahora, Dijo Quinlan. Pero los investigadores del NIST todavía están trabajando en la transferencia de relojes ópticos de última generación a plataformas móviles. Los relojes de iterbio, que operan a frecuencias de 518 terahercios (billones de ciclos por segundo), actualmente ocupan grandes mesas en entornos de laboratorio altamente controlados.

Las señales electrónicas ultraestables podrían admitir aplicaciones generalizadas, incluida la futura calibración de relojes electrónicos, tales como dispositivos eléctricos alimentados por cristales de cuarzo oscilantes. Esta es una consideración importante para la redefinición del estándar de tiempo internacional, el segundo SI, ahora basado en las frecuencias de microondas absorbidas por los átomos de cesio en los relojes convencionales. En los próximos años, Se espera que la comunidad científica internacional seleccione un nuevo estándar de tiempo basado en frecuencias ópticas que otros átomos, como el iterbio, absorber. Las señales súper estables también podrían hacer que los sistemas de comunicaciones inalámbricas sean más confiables.

Las señales electrónicas derivadas ópticamente podrían hacer que los sistemas de imágenes sean más sensibles. Sensibilidad del radar especialmente para objetos que se mueven lentamente, ahora está limitado por el ruido de microondas y podría mejorarse considerablemente. Nuevos fotodiodos, producido en una colaboración entre NIST y la Universidad de Virginia, convierte las señales ópticas en señales de microondas de forma más predecible y con menos ruido que los diseños anteriores. Además, las microondas podrían transportar señales de relojes ópticos distantes para aplicaciones en navegación e investigación de física fundamental.

Imágenes astronómicas y geodesia relativista, que mide la forma gravitacional de la Tierra, ahora se basan en detectar señales de microondas en receptores de todo el mundo y combinarlas para formar imágenes de objetos. La calibración remota de estos receptores podría hacer posible mover la red desde la Tierra al espacio, lo que mejoraría la resolución de la imagen y evitaría las distorsiones atmosféricas que limitan el tiempo de observación. Con horas de tiempo de observación en lugar de segundos, los investigadores pudieron obtener imágenes de muchos más objetos.