Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) têm usado relógios atômicos de última geração, detectores de luz avançados, e uma ferramenta de medição chamada pente de frequência para aumentar a estabilidade dos sinais de micro-ondas em 100 vezes. Isso marca um passo gigantesco em direção a uma eletrônica melhor para permitir uma disseminação de tempo mais precisa, navegação aprimorada, comunicações mais confiáveis ​​e imagens de alta resolução para radar e astronomia. Melhorar a consistência do sinal de microondas ao longo de um período de tempo específico ajuda a garantir a operação confiável de um dispositivo ou sistema.

O trabalho transfere a estabilidade já soberba dos relógios atômicos de laboratório de última geração operando em frequências ópticas para frequências de microondas, que atualmente são usados ​​para calibrar eletrônicos. Os sistemas eletrônicos são incapazes de contar diretamente os sinais ópticos, assim, a tecnologia e as técnicas do NIST transferem indiretamente a estabilidade do sinal de relógios ópticos para o domínio das microondas. A demonstração é descrita no dia 22 de maio, 2020, emissão de Ciência .

Em sua configuração, os pesquisadores usaram o "tique-taque" de dois relógios de rede de itérbio do NIST para gerar pulsos de luz, bem como pentes de frequência servindo como engrenagens para traduzir os pulsos ópticos de alta frequência com precisão em sinais de micro-ondas de baixa frequência. Fotodiodos avançados converteram pulsos de luz em correntes elétricas, que por sua vez gerou 10 gigahertz (GHz, ou um bilhão de ciclos por segundo) sinal de microondas que rastreou o tique-taque dos relógios exatamente, com um erro de apenas uma parte em um quintilhão (1 seguido por 18 zeros). Este nível de desempenho está no mesmo nível de ambos os relógios ópticos e 100 vezes mais estável do que as melhores fontes de microondas.

"Anos de pesquisa, incluindo contribuições importantes do NIST, resultaram em fotodetectores de alta velocidade que agora podem transferir a estabilidade do relógio óptico para o domínio das microondas, "disse o pesquisador Frank Quinlan." A segunda grande melhoria técnica foi no rastreamento direto das microondas com alta precisão, combinado com muito conhecimento em amplificação de sinal. "

As ondas ópticas são mais curtas, ciclos mais rápidos do que as microondas, então eles têm formas diferentes. Na conversão de ondas ópticas estáveis ​​em microondas, os pesquisadores rastrearam a fase - o tempo exato das ondas - para garantir que eram idênticas, e não deslocados em relação um ao outro. O experimento rastreou mudanças de fase com uma resolução correspondente a apenas um milionésimo de um ciclo.

"Este é um campo onde apenas dobrar a estabilidade do microondas pode levar anos ou décadas para ser alcançado, ", disse o líder do grupo, Chris Oates." Cem vezes melhor é quase insondável. "

Alguns componentes do sistema NIST, como os pentes e detectores de frequência, estão prontos para serem usados ​​em aplicações de campo agora, Quinlan disse. Mas os pesquisadores do NIST ainda estão trabalhando na transferência de relógios ópticos de última geração para plataformas móveis. Os relógios itérbio, que operam em frequências de 518 terahertz (trilhões de ciclos por segundo), atualmente ocupam grandes mesas em ambientes de laboratório altamente controlados.

Sinais eletrônicos ultraestáveis ​​podem suportar aplicações generalizadas, incluindo calibração futura de relógios eletrônicos, como dispositivos elétricos movidos por cristais de quartzo oscilantes. Esta é uma consideração importante para a redefinição do padrão internacional de tempo, o segundo SI, agora com base nas frequências de microondas absorvidas pelos átomos de césio em relógios convencionais. Nos próximos anos, espera-se que a comunidade científica internacional selecione um novo padrão de tempo com base nas frequências ópticas que outros átomos, como itérbio, absorver. Sinais superestáveis ​​também podem tornar os sistemas de comunicação sem fio mais confiáveis.

Sinais eletrônicos derivados opticamente podem tornar os sistemas de imagem mais sensíveis. Sensibilidade de radar, particularmente para objetos que se movem lentamente, agora é limitado pelo ruído de microondas e pode ser bastante melhorado. Novos fotodiodos, produzido em uma colaboração entre o NIST e a Universidade da Virgínia, converter os sinais ópticos em sinais de micro-ondas de forma mais previsível e com menos ruído do que os projetos anteriores. Além disso, microondas poderiam transportar sinais de relógios ópticos distantes para aplicações em navegação e pesquisa de física fundamental.

Imagens astronômicas e geodésia relativística, que mede a forma gravitacional da Terra, agora são baseados na detecção de sinais de microondas em receptores ao redor do mundo e na combinação deles para formar imagens de objetos. A calibração remota desses receptores pode tornar possível mover a rede da Terra para o espaço, o que aumentaria a resolução da imagem e evitaria distorções atmosféricas que limitam o tempo de observação. Com horas de observação em vez de segundos, os pesquisadores poderiam imaginar muitos mais objetos.