拉夫堡大学：雪国列车公司的“永恒引擎”激发了下一代超精密原子钟的灵感
英国科学家创造了一个“永恒的引擎”来保持下一代原子钟的运转。
精确计时对于全球导航、卫星测绘、确定系外行星的组成和下一代电信等系统至关重要。但原子钟目前是大型设备——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都在竞相构建可在现实环境中工作的便携式版本，并可以取代现有的卫星导航系统，例如 GPS 和 Galileo。
现在，在苏塞克斯大学进行并在拉夫堡大学继续进行的研究已经解决了这些便携式原子钟开发过程中的一个主要障碍，通过研究如何可靠地“打开”它们的计数设备 - 并保持它们运行。
微梳是未来光学原子钟的基本组成部分——它们允许人们计算时钟中“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——千兆赫频率，现代电子系统可以轻松测量。
基于电子兼容光学微芯片，微梳是使下一代超精密计时小型化的最佳选择。它们是尖端的激光技术源，由超精密的激光线组成，在光谱中等距分布，类似于梳子。
这种特殊的光谱开启了一系列融合超精确计时和光谱学的应用，这可能导致发现系外行星或仅基于呼吸扫描的超灵敏医疗仪器。
Alessia Pasquazi 教授说：“如果微型梳子非常敏感，以至于即使有人刚刚进入实验室，它们也无法维持其状态，这一切都将不可能实现，”在搬到拉夫堡之前，他在苏塞克斯开始了这个ERC和EPSRC资助的项目。她的团队，上个月。
在今天发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，Pasquazi 教授和她的团队在苏塞克斯大学进行的研究已经确定了一种让系统自行启动并保持稳定状态的方法——本质上是自我恢复。
帕斯夸齐教授说：“我们基本上有一个‘永恒的引擎’——如果你看它，就像雪国列车一样——如果发生意外破坏它，它总是会回到原来的状态。”
“表现良好的微梳使用一种特殊类型的波，称为空腔孤子，它不容易获得。就像汽油车的发动机一样，微型梳子更喜欢保持在“关闭状态”。启动汽车时，您需要一个能使发动机正常旋转的启动马达。
“目前，微型梳子没有好的‘启动马达’。这就像你的汽车电池不断坏，每次需要使用时都需要有人将它推下坡，希望它能够启动。如果你想象当有人在房间里简单地讲话时，腔孤子通常会在微梳激光器中消失，你就会发现我们这里有问题。”
在苏塞克斯大学从事这项研究并领导拉夫堡大学新资助的新兴光子研究中心的 Marco Peccianti 教授补充说：“在 2019 年，我们已经证明我们可以使用不同类型的波来获得微梳。
“我们称它们为激光腔孤子，因为我们将微芯片直接嵌入标准激光器中，从而大大提高了效率”。
“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，我们称这个过程为‘自我出现’。”
拉夫堡 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，由温度和压力等‘全局变量’支配。”
“在大气压下，你总是会发现水在 -5 度时以冰的形式出现，或者在 100 度以上时以蒸汽的形式出现，无论之前水分子发生了什么。”
Maxwell Rowley 博士在苏塞克斯大学获得了博士学位，他与 Pasquazi 教授一起开发了这个系统，现在他与通信与电力工业 (CPI) 的一个部门 CPI TMD Technologies 合作，该部门的工作继续将 microcomb 商业化，他补充说： “同样，当我们将驱动激光器的电流设置为适当的值时，我们可以保证微梳将在我们所需的孤子状态下运行。
“这是一个一劳永逸的系统——一个总是恢复正确状态的‘永恒引擎’。”
论文《微腔中鲁棒孤子的自出现》与苏塞克斯大学、香港城市大学、中国西安光学与精密机械研究所、斯威本大学的同事合作发表澳大利亚科技学院、加拿大国立科学研究所 (INRS) 和斯特拉斯克莱德大学。
追求这项技术是新成立的新兴光子学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尖端光学技术。
microcomb 是创建便携式和超精确时间基准的核心组件，它是当前和下一代电信(5 和 6G+ 和光纤通信)、网络同步(例如电力网络)的迫切需要，它将减少我们的对 GPS 的依赖。
自出现的微梳将直接用于基于光纤的钙离子参考，在创新英国的支持和苏塞克斯大学的 Matthias Keller 教授的领导下使用 CPI TMD 技术进行研究，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所 (INRS) 的共同作者 Roberto Morandotti 教授。
Pasquazi 教授说：“Microcomb 有望彻底改变电信网络，它使用许多不同的颜色来传输尽可能多的信息。
“虽然网络目前对每种颜色都使用单独的激光器，但微梳将提供一种紧凑且节能的替代方案，还可以传输超精确的计时。
“追求下一代电信技术是我们与斯威本大学和合著者大卫·莫斯教授合作的目标之一。
“我们正在与他们的天文学部门合作，希望有一天这些‘光学尺’能够帮助他们寻找系外行星。”
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