Дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) використовували найсучасніші атомні годинники, передові детектори світла і вимірювальний інструмент, званий частотною гребінкою, щоб підвищити стабільність мікрохвильових сигналів у 100 разів.
Це знаменує собою гігантський крок у напрямку вдосконалення електроніки, що дозволяє забезпечити більш точний розподіл часу, поліпшену навігацію, більш надійний зв'язок і більш високу роздільну здатність зображень для радарів і астрономії. Поліпшення узгодженості мікрохвильового сигналу протягом певного періоду часу допомагає забезпечити надійну роботу пристрою або системи.
Робота переносить вже чудову стабільність ультрасучасних лабораторних атомних годинників, що працюють на оптичних частотах, на мікрохвильові частоти, які в даний час використовуються для калібрування електроніки.
Електронні системи не здатні безпосередньо підраховувати оптичні сигнали, тому технологія і методи NIST побічно передають стабільність сигналу оптичного годинника в мікрохвильову область.
У своїй установці дослідники використовували «тікання» двох іттербієвих решітчастих годинників NIST для генерації світлових імпульсів, а також частотні гребінки, що служать шестерінками для точного перетворення високочастотних оптичних імпульсів на низькочастотні мікрохвильові сигнали.
Вдосконалені фотодіоди перетворювали світлові імпульси на електричні струми, які, своєю чергою, генерували 10 гігагерцевий (ГГц, або мільярд циклів на секунду) мікрохвильовий сигнал, який точно відстежував тікання годинника, з похибкою всього в одну частину квінтильйону (1 з 18 нулями). Цей рівень продуктивності знаходиться на одному рівні з обома оптичними годинами і в 100 разів більш стабільний, ніж кращі мікрохвильові джерела.
«Багаторічні дослідження, в тому числі важливий внесок NIST, призвели до створення високошвидкісних фотоприймачів, які тепер можуть передавати стабільність оптичного годинника в мікрохвильову область», - сказав провідний дослідник Френк Квінлан. "Друге велике технічне удосконалення полягало в прямому відстеженні мікрохвиль з високою точністю в поєднанні з великою кількістю ноу-хау в посиленні сигналу.
Оптичні хвилі мають більш короткі і швидкі цикли, ніж мікрохвилі, тому вони мають іншу форму. При перетворенні стабільних оптичних хвиль на мікрохвилі дослідники відстежували фазу - точний час хвиль, щоб переконатися, що вони ідентичні і не зміщені відносно один одного. Експеримент відстежував фазові зміни з роздільною здатністю, що відповідає всього одній мільйонній частині циклу.
«Це та область, де просто подвоєння мікрохвильової стабільності може зайняти роки або десятиліття», - сказав лідер групи дослідників Кріс Оутс. - У сто разів краще - це майже незбагненно.
Деякі компоненти системи NIST, такі як частотні гребені і детектори, вже готові до використання в польових умовах. Але дослідники NIST все ще працюють над перенесенням сучасних оптичних годин на мобільні платформи. Іттербієві годинники, що працюють на частотах 518 терагерць (трильйон циклів в секунду), в даний час займають великі столи в строго контрольованих лабораторних умовах.
Надстабільні електронні сигнали можуть підтримувати широке застосування, включаючи майбутнє калібрування електронних годинників, таких як електричні пристрої, що працюють на осцилюючих кристалах кварцу. Це є важливим міркуванням для перевизначення міжнародного стандарту часу, другого Сі, тепер заснованого на мікрохвильових частотах, що поглинаються атомами цезію в звичайних годинах.
У найближчі роки міжнародне наукове співтовариство, як очікується, обере новий стандарт часу, заснований на оптичних частотах, які поглинають інші атоми, такі як іттербій. Надстабільні сигнали також можуть підвищити надійність систем бездротового зв'язку.
Оптично похідні електронні сигнали могли б зробити системи візуалізації більш чутливими. Чутливість радара, особливо для повільно рухомих об'єктів, тепер обмежена мікрохвильовим шумом і може бути значно підвищена.
Нові фотодіоди, вироблені у співпраці між NIST і Університетом Вірджинії, перетворюють оптичні сигнали на мікрохвильові сигнали більш передбачувано і з меншим шумом, ніж попередні конструкції. Крім того, мікрохвилі можуть передавати сигнали від віддалених оптичних годин для застосування в навігації і фундаментальних фізичних дослідженнях.
Астрономічна візуалізація та релятивістська геодезія, яка вимірює гравітаційну форму Землі, тепер засновані на виявленні мікрохвильових сигналів на приймачах по всьому світу та їх об'єднанні для формування зображень об'єктів.
Дистанційне калібрування цих приймачів може зробити можливим переміщення мережі з Землі в космос, що поліпшить роздільну здатність зображення і дозволить уникнути атмосферних спотворень, що обмежують час спостереження. Завдяки годиннику спостереження, а не секундам, дослідники могли б отримати зображення набагато більшої кількості об'єктів.