“永恒引擎”激发下一代超精密原子钟

长三角G60激光联盟导读

据悉，英国科学家创造了一个“永恒的引擎”，让下一代原子钟继续运转。

来源：Pixabay/CC0 Public Domain

精确计时对于全球导航、卫星测绘、建立系外行星组成和下一代电信等系统至关重要。但原子钟目前是巨大的设备，重达数百公斤，需要安装在精确、难以维护的条件下。

这就是为什么来自世界各地的科学家正在竞相制造可在现实环境中使用的便携式版本，并可能取代现有的卫星导航系统，如GPS和Galileo。

现在，在Sussex大学进行的研究以及Loughborough大学继续进行的研究已经解决了这些便携式原子钟发展中的一个主要障碍，解决了如何可靠地“打开”它们的计数设备并使其保持运行。

空腔孤子的自然发生。

Microcombs是未来光学原子钟的基本组成部分。Microcombs允许人们计算钟中“原子钟摆”的振荡，将每秒数百万亿次的原子振荡转换为每秒十亿次的频率，这是现代电子系统可以轻松测量的频率。

基于电子兼容的光学微芯片，微控制器是下一代超精密计时装置小型化的最佳选择。它们是尖端激光技术源，由超精密激光线组成，在光谱中等距分布，类似梳状。

这一独特的光谱开启了一系列应用，将超精密计时和光谱学相结合，可能导致发现系外行星，或者仅仅基于呼吸扫描的超灵敏医疗仪器。

空腔孤子自然起始和固有稳定性的工作原理。

“如果microcombs如此敏感，即使有人刚进入实验室，它们也无法保持状态，那么这一切都不可能实现，”Alessia Pasquazi教授说。

在《自然》杂志上发表的一篇新论文中，Pasquazi教授和她的团队在Sussex大学进行的研究发现了一种方法，可以让系统自行启动，并保持在一种基本上自我恢复的稳定状态。

Pasquazi教授说:“我们基本上有一个‘永恒的引擎’，就像你看了Snowpiercer一样，如果发生了什么干扰，它总是会回到原来的状态。”

状态图。

“一个性能良好的microcombs使用一种特殊类型的波，称为空腔孤子，这是不容易得到的。就像汽油车的引擎一样，microcombs也喜欢处于“非状态”。当你启动汽车时，你需要一个启动马达，让引擎正常旋转。而目前，microcombs没有良好的‘启动马达’。”

在Sussex大学从事这项研究的Marco Peccianti教授补充说:“2019年，我们已经证明了可以使用一种不同类型的波来获得微梳。”Marco Peccianti教授是Loughborough大学新成立的应急光子研究中心的负责人。

“我们称它们为激光空腔孤子，因为我们直接将微芯片嵌入到标准激光器中，从而获得了效率的极大提升。我们现在已经证明，我们的孤子可以自然地变成系统的唯一状态，我们把这个过程称为‘自我出现’。”

EPSRC量子技术研究员 Juan Sebastian Totero Gongora博士解释说:“它就像一个简单的热力学系统，受温度和压力等‘全局变量’的控制。在大气压下，无论水分子以前发生了什么变化，在零下5度时，你总是肯定会发现水是冰，在100度以上时，你总是会发现水是蒸汽。”

状态图光学增益和内腔功率测量。

Maxwell Rowley博士在Sussex 大学和Pasquazi教授一起开发了这个系统，他现在在CPI TMD技术公司工作，该公司是通信与电力工业(CPI)的一个部门，继续将微型梳商业化。他补充说:“类似地，当我们将驱动激光的电流设置到合适的值时，我们可以保证微型梳在我们想要的孤子状态下工作。这是一个设置和遗忘系统——一个总是能恢复正确状态的‘永恒引擎’。”

研究这种技术是新成立的Emergent Photonics实验室研究中心的一个关键目标，该中心将专注于拉夫堡的前沿光学技术。

microcombs是创建便携式、超精确时间基准的核心组件，是当前和下一代电信(5、6G+和光纤通信)、网络同步(如电网)所急需的，它将减少我们对GPS的依赖。

这种自发microcombs将直接用于基于光纤的钙离子参考材料，该研究由Innovate UK支持，苏塞克斯大学Matthias Keller教授领导，采用CPI TMD技术，并在量子技术方面进行更广泛的合作，包括加拿大国家科学研究院(INRS)的合著者Roberto Morandotti教授。

分析稳定状态的频率位置。

Pasquazi教授说:“microcombs有望彻底改变电信网络，因为电信网络使用许多不同的颜色来传输尽可能多的信息。虽然目前的网络对每种颜色都使用单独的激光器，但microcombs 将提供一种紧凑、节能的替代方案，还可能传输超精确的计时。”

“追求下一代电信技术是我们与Swinburne大学和合著者David Moss教授合作的目标之一。我们正在与他们的天文部门合作，希望有一天这些‘光学尺子’能够帮助他们寻找系外行星。”

来源：Self-emergence of robust solitons in a microcavity, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04957-x