Científicos del Reino Unido han creado un "motor eterno" para mantener en marcha la próxima generación de relojes atómicos.

La sincronización precisa es esencial para sistemas como la navegación global, el mapeo satelital, el establecimiento de la composición de los exoplanetas y las próximas generaciones de telecomunicaciones. Pero los relojes atómicos actualmente son dispositivos masivos, que pesan cientos de kilogramos, que deben alojarse en condiciones precisas y difíciles de mantener.

Es por eso que científicos de todo el mundo están compitiendo para construir versiones portátiles que funcionen en entornos del mundo real y que puedan reemplazar los sistemas de navegación por satélite existentes, como GPS y Galileo.

Ahora, la investigación realizada en la Universidad de Sussex y continuada en la Universidad de Loughborough ha resuelto un obstáculo importante en el desarrollo de estos relojes atómicos portátiles, al descubrir cómo "encender" de manera confiable su dispositivo de conteo y mantenerlos en funcionamiento.

Los micropeines son una parte fundamental de los futuros relojes atómicos ópticos:permiten contar la oscilación del "péndulo atómico" en el reloj, convirtiendo la oscilación atómica a cientos de billones de veces por segundo a mil millones de veces por segundo, una frecuencia de gigahercios. , que los sistemas electrónicos modernos pueden medir fácilmente.

Basados ​​en microchips ópticos compatibles con la electrónica, los micropeines son los mejores candidatos para miniaturizar la próxima generación de cronometraje ultrapreciso. Son fuentes de tecnología láser de última generación, compuestas por líneas láser ultraprecisas, igualmente espaciadas en el espectro, que se asemejan a un peine.

Este peculiar espectro abre una serie de aplicaciones que combinan el cronometraje ultrapreciso y la espectroscopia que podrían conducir al descubrimiento de exoplanetas o instrumentos médicos ultrasensibles basados ​​simplemente en escaneos de aliento.

"Nada de esto será posible si los micropeines son tan sensibles que no pueden mantener su estado incluso si alguien ingresa al laboratorio", dijo la profesora Alessia Pasquazi, quien comenzó este proyecto financiado por ERC y EPSRC en Sussex antes de mudarse a Loughborough con su equipo, el mes pasado.

En un nuevo artículo publicado en la revista Nature , una investigación realizada en la Universidad de Sussex por la profesora Pasquazi y su equipo identificó una forma de permitir que el sistema se inicie por sí mismo y permanezca en un estado estable, esencialmente autorrecuperándose.

"Básicamente, tenemos un 'motor eterno', como Snowpiercer si lo miras, que siempre vuelve al mismo estado si algo lo interrumpe", dijo el profesor Pasquazi.

“Un micropeine que se comporta bien usa un tipo especial de onda, llamado solitón de cavidad, que no es fácil de obtener. Al igual que el motor de un automóvil de gasolina, un micropeine prefiere permanecer en un 'estado apagado'. Cuando enciende su automóvil, necesita un motor de arranque que haga que el motor gire correctamente".

“Por el momento, los micropeines no tienen un buen 'motor de arranque'. Es como tener tu auto con la batería rota constantemente, y necesitas que alguien lo empuje cuesta abajo cada vez que necesites usarlo, con la esperanza de que arranque. simplemente habla en la habitación, ya ves que tenemos un problema aquí".

El profesor Marco Peccianti, quien trabajó en la investigación en la Universidad de Sussex y dirige el Centro de Investigación Fotónica Emergente recientemente financiado en la Universidad de Loughborough, agregó que "en 2019 ya habíamos demostrado que podíamos usar un tipo diferente de onda para obtener micropeines".

"Los llamamos solitones de cavidad láser porque incrustamos directamente el microchip en un láser estándar y obtuvimos un gran aumento en la eficiencia".

"Hemos demostrado ahora que nuestro solitón se puede convertir naturalmente en el único estado del sistema, y ​​llamamos a este proceso 'autoemergencia'".

El Dr. Juan Sebastián Totero Góngora, investigador del EPSRC en tecnologías cuánticas en Loughborough, explicó que "funciona como un sistema termodinámico simple, que se rige por 'variables globales', como la temperatura y la presión".

"A la presión atmosférica, siempre está seguro de encontrar agua como hielo a -5 grados o como vapor por encima de los 100 grados, lo que sea que les haya sucedido antes a las moléculas de agua".

Dr. Maxwell Rowley, quien obtuvo su Ph.D. en la Universidad de Sussex desarrollando este sistema con el profesor Pasquazi, y que ahora trabaja con CPI TMD Technologies, una división de Communications &Power Industries (CPI), donde continúa el trabajo para comercializar el micropeine, agregó que "de manera similar, cuando configuramos el actual que conduce el láser al valor apropiado, aquí tenemos la garantía de que el micropeine funcionará en nuestro estado de solitón deseado".

"Es un sistema de configuración y olvido, un 'motor eterno' que siempre recupera el estado correcto".

El artículo ha sido publicado esta semana en colaboración con colegas de la Universidad de Sussex, la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, el Instituto de Óptica y Mecánica de Precisión de Xi'an, en China, la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia, el Institut national de la recherche scientifique (INRS) en Canadá y la Universidad de Strathclyde.

La búsqueda de esta tecnología es un objetivo clave del Centro de Investigación del Laboratorio de Fotónica Emergente recientemente financiado, que se centrará en tecnologías ópticas de vanguardia en Loughborough.

El microcomb es un componente central para crear una referencia de tiempo portátil y ultraprecisa, que es críticamente necesaria para la generación actual y la próxima de telecomunicaciones (5 y 6G+ y comunicación de fibra), sincronización de red (por ejemplo, red eléctrica) y reducirá nuestra dependencia del GPS.

Los micropeines autoemergentes se usarán directamente en referencias de iones de calcio basadas en fibra óptica, y se llevarán a cabo con el apoyo de Innovate UK y el liderazgo del profesor Matthias Keller en la Universidad de Sussex con tecnologías CPI TMD, y en una colaboración más amplia en Quantum Technologies que incluye coautor, el profesor Roberto Morandotti del Canadian Institut national de la recherche scientifique (INRS).

El profesor Pasquazi dice que "se espera que los micropeines revolucionen las redes de telecomunicaciones, que utilizan muchos colores diferentes para transferir la mayor cantidad de información posible".

"Mientras que las redes actualmente usan láseres separados para cada color, los micropeines proporcionarán una alternativa compacta y de bajo consumo, con la posibilidad de transferir también un cronometraje ultrapreciso".

"La búsqueda de tecnologías de telecomunicaciones de próxima generación es uno de los objetivos de nuestra colaboración con la Universidad de Swinburne y el coautor, el profesor David Moss".

"Estamos colaborando con su departamento de astronomía, con suerte algún día estos 'reglamentos ópticos' les permitirán buscar exoplanetas". + Explora más

Nuevo micropeine podría ayudar a descubrir exoplanetas y detectar enfermedades