Cientistas do Reino Unido criaram um "motor eterno" para manter a próxima geração de relógios atômicos funcionando.
O tempo de precisão é essencial para sistemas como navegação global, mapeamento por satélite, estabelecimento da composição de exoplanetas e as próximas gerações de telecomunicações. Mas os relógios atômicos são atualmente dispositivos enormes – pesando centenas de quilos – que precisam ser alojados em condições precisas e difíceis de manter.

É por isso que cientistas de todo o mundo estão correndo para construir versões portáteis que funcionem em configurações do mundo real e possam substituir os sistemas de navegação por satélite existentes, como GPS e Galileo.

Agora, a pesquisa realizada na Universidade de Sussex e continuada na Universidade de Loughborough resolveu um grande obstáculo no desenvolvimento desses relógios atômicos portáteis, descobrindo como "ligar" de forma confiável seu dispositivo de contagem - e mantê-los funcionando.

Microcombs são uma parte fundamental dos futuros relógios atômicos ópticos - eles permitem contar a oscilação do "pêndulo atômico" no relógio, convertendo a oscilação atômica em centenas de trilhões de vezes por segundo para um bilhão de vezes por segundo - uma frequência gigahertz , que os sistemas eletrônicos modernos podem medir facilmente.

Baseados em microchips ópticos eletrônicos compatíveis, os microcombs são os melhores candidatos para miniaturizar a próxima geração de cronometragem ultraprecisa. São fontes de tecnologia laser de ponta, compostas por linhas de laser ultraprecisas, igualmente espaçadas no espectro, que lembram um pente.

Esse espectro peculiar abre uma série de aplicações que combinam cronometragem ultraprecisa e espectroscopia que podem levar à descoberta de exoplanetas, ou instrumentos médicos ultrassensíveis baseados simplesmente em varreduras de respiração.

"Nada disso será possível se os microcombs forem tão sensíveis que não possam manter seu estado, mesmo que alguém entre no laboratório", disse a professora Alessia Pasquazi, que iniciou este projeto financiado pelo ERC e EPSRC em Sussex antes de se mudar para Loughborough com sua equipe, no mês passado.

Em um novo artigo publicado na revista Nature , uma pesquisa realizada na Universidade de Sussex pelo professor Pasquazi e sua equipe identificou uma maneira de permitir que o sistema inicie sozinho e permaneça em um estado estável - essencialmente sendo auto-recuperável.

"Temos basicamente um 'motor eterno' - como o Snowpiercer, se você assistir - que sempre volta ao mesmo estado se algo acontecer para interrompê-lo", disse o professor Pasquazi.

“Um micropente bem comportado usa um tipo especial de onda, chamado de cavidade-soliton, que não é simples de obter. Como o motor de um carro a gasolina, um micropente prefere ficar 'desligado'. Quando você liga seu carro, você precisa de um motor de partida que faça o motor girar corretamente."

"No momento, os micropentes não têm um bom 'motor de partida'. É como ter seu carro com a bateria constantemente quebrada, e você precisa de alguém para empurrá-lo ladeira abaixo toda vez que precisar usá-lo, esperando que ele dê partida. Se você imaginar que geralmente uma cavidade-soliton desaparece em um microcomb laser quando alguém simplesmente fala na sala, você vê que temos um problema aqui."

O professor Marco Peccianti, que trabalhou na pesquisa na Universidade de Sussex e dirige o recém-financiado Centro de Pesquisa Fotônica Emergente da Universidade de Loughborough, acrescentou que "em 2019 já havíamos demonstrado que poderíamos usar um tipo diferente de onda para obter microcombs".

"Nós os chamamos de solitons de cavidade de laser porque incorporamos diretamente o microchip em um laser padrão e obtivemos um grande aumento na eficiência".

"Mostramos agora que nosso sóliton pode ser naturalmente transformado no único estado do sistema, e chamamos esse processo de 'auto-emergência'."

Dr. Juan Sebastian Totero Gongora, pesquisador EPSRC em tecnologias quânticas em Loughborough explicou que "funciona como um sistema termodinâmico simples, que é governado por 'variáveis ​​globais', como temperatura e pressão".

"À pressão atmosférica, você sempre encontrará água como gelo a -5 graus ou como vapor acima de 100 graus, o que quer que tenha acontecido com as moléculas de água antes."

Dr. Maxwell Rowley, que obteve seu Ph.D. da Universidade de Sussex desenvolvendo este sistema com o Prof Pasquazi, e que agora trabalha com a CPI TMD Technologies, uma divisão da Communications &Power Industries (CPI), onde continua o trabalho de comercialização do microcomb, acrescentou que "da mesma forma, quando definimos o atual conduzindo o laser para o valor apropriado, aqui temos a garantia de que o microcomb funcionará em nosso estado de soliton desejado."

"É um sistema de configuração e esquecimento - um 'motor eterno' que sempre recupera o estado correto."

O artigo foi publicado esta semana em colaboração com colegas da Universidade de Sussex, City University of Hong Kong, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, na China, Swinburne University of Technology, na Austrália, Institut national de la recherche. scientifique (INRS) no Canadá e na Universidade de Strathclyde.

A busca por essa tecnologia é um dos principais objetivos do recém-fundado Emergent Photonics Laboratory Research Centre, que se concentrará em tecnologias ópticas de ponta em Loughborough.

O microcomb é um componente central para criar uma referência de tempo portátil e ultra-precisa, que é extremamente necessária para a atual e próxima geração de telecomunicações (5 e 6G+ e comunicação de fibra), sincronização de rede (por exemplo, rede elétrica) e reduzirá nossa dependência do GPS.

Os micropentes auto-emergentes serão usados ​​diretamente em referências de íons de cálcio à base de fibra óptica, sendo perseguidos sob o apoio da Innovate UK e a liderança do professor Matthias Keller na Universidade de Sussex com tecnologias CPI TMD e em uma colaboração mais ampla em Quantum Technologies, incluindo co-autor Professor Roberto Morandotti no Canadian Institut national de la recherche scientifique (INRS).

O professor Pasquazi diz que "espera-se que os micropentes revolucionem as redes de telecomunicações, que usam muitas cores diferentes para transferir o máximo de informações possível".

"Embora as redes atualmente usem lasers separados para cada cor, os microcombs fornecerão uma alternativa compacta e eficiente em termos de energia, com a possibilidade de também transferir cronometragem ultraprecisa".

"A busca de tecnologias de telecomunicações de próxima geração é um dos objetivos de nossa colaboração com a Swinburne University e o coautor do professor David Moss."

"Estamos colaborando com o departamento de astronomia deles, espero que um dia esses 'governantes ópticos' permitam sua busca por exoplanetas." + Explorar mais

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