KontaktGrudziądzka 5, 87-100 Toruń
tel.: +48 56 611 3310
fax: +48 56 622 5397

Optyczny zegar atomowy dla każdego

obrazek: Dr hab. Michał Zawada, prof. UMK fot.Andrzej Romański]
Dr hab. Michał Zawada, prof. UMK fot. Andrzej Romański

Zespół dr. hab. Michała Zawady, prof. UMK z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK znalazł się w europejskim konsorcjum iqClock, które ma na celu skonstruowanie ultraprecyzyjnych zegarów - nie tylko na potrzeby laboratoriów, ale do powszechnego użytku.

Stworzenie jeszcze dokładniejszych zegarów niż obecnie dostępne i uczynienie ich na tyle niewielkimi, aby można je było łatwo transportować – to cel, jaki postawiło sobie nowe konsorcjum iqClock, tworzone przez europejskie uniwersytety, w tym Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, i przedsiębiorstwa (lista uczestników). Mają to umożliwić ostatnie osiągnięcia w dziedzinie mechaniki kwantowej oraz połączenie know-how w nauce i przemyśle.

Aktualna wiedza

Optyczne zegary atomowe, które są obecnie najdokładniejszymi naukowymi urządzeniami do pomiaru czasu (gdyby działały przez całe życie wszechświata, czternaście miliardów lat, straciłyby jedynie sekundę), istnieją już w niektórych laboratoriach. Pierwszy w Polsce powstał w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki UMK. Jednakże mimo swojej precyzji optyczne zegary atomowe mają dwie wady: po pierwsze - są bardzo trudne do skonstruowania, po drugie - zajmują całe pomieszczenia laboratoryjne, są duże, ciężkie i niezbyt wytrzymałe. Konsorcjum iqClock planuje wyeliminować te niedoskonałości, aby umożliwić ludziom szeroki dostęp do ultradokładnych zegarów.

"Nadpromieniste" zegary

Tylko czy zegary optyczne można uprościć? Ostatnie wydarzenia pokazują, że tak. W normalnych zegarach optycznych częstotliwość lasera optycznego jest precyzyjnie dostrajana przez świecenie bardzo stabilnej wiązki lasera na wibrujące atomy, obserwowanie ich reakcji i regulowanie częstotliwości lasera tak, aby dwie wibracje były idealnie dopasowane. Fizycy znaleźli teraz łatwiejszy sposób - po prostu pozwalają, by drgające atomy same uformowały wiązkę lasera. Oznacza to, że wytworzona wiązka laserowa składa się z tych samych atomów, które są używane do zapewnienia częstotliwości odniesienia, i które sprawiają, że zegar tyka. Konstrukcja ta została nazwana „nadpromienistym” laserem (superradiant laser). Podwójne użycie tych samych atomów powinno znacznie ułatwić skonstruowanie optycznych zegarów atomowych: atomy nie tylko zapewniają bardzo stabilne światło, ale też to światło ma automatycznie właściwą częstotliwość.

Pomysł ten usunąłby pierwszą wadę zegarów optycznych: to, że są tak skomplikowane. "Nadpromieniste" zegary nie zostały jeszcze skonstruowane, ale ich główny element konstrukcyjny - ciągłe źródło ultrazimnych atomów (atomów strontu w zaledwie kilku milionowych stopnia powyżej zera absolutnego) został niedawno zrealizowany przez zespół badaczy prowadzony przez Floriana Schrecka z Uniwersytetu w Amsterdamie. W tym samym czasie na Uniwersytecie w Birmingham fizyk Yeshpal Singh przedstawił inicjatywę opracowania przemysłowych optycznych zegarów atomowych, planując usunięcie drugiej wady - dużego rozmiaru i kruchości istniejących urządzeń. Wydaje się więc, że nic nie stoi na przeszkodzie, by zegary atomowe zaczęły funkcjonować w codziennym życiu.

Stworzenie konsorcjum

Przekształcenie koncepcji w efekty jest jednak długim i żmudnym procesem, który wymaga ścisłej współpracy między nauką a przemysłem. Schreck, Singh i Kai Bongs, fizyk z Birmingham i dyrektor brytyjskiego National Hub for Sensors and Metrology, postanowili połączyć siły z dużym zespołem naukowców z Torunia, Kopenhagi, Wiednia i Innsbrucku, aby sprawdzić, czy taka współpraca może zostać zrealizowana. Równie zainteresowanych pomysłem było również kilku partnerów po stronie biznesu: Teledyne e2v, Chronos i British Telecom w Wielkiej Brytanii, Toptica w Niemczech, NKT Photonics w Danii i Acktar w Izraelu.

Konsorcjum, które powstało w celu zbliżenia zegarów optycznych do rynku, zostało sfinansowane jako jeden z pierwszych projektów w ramach przedsięwzięcia Flagship Initiative. Na ten szeroko zakrojony dziesięcioletni program poświęcony rozwojowi technologii kwantowych Unia Europejska postanowiła przeznaczyć co najmniej miliardów euro. Konsorcjum iqClock zostało wsparte kwotą 10 milionów euro (na okres najbliższych trzech lat).

Nawigacja, geologia i astronomia

Technologia zegara optycznego, którą zamierza opracować konsorcjum, ma być w pełni przenośna, tak aby pod koniec 10-letniego programu mogła być używana np. w satelitach. Nie jest to łatwy proces, ale korzyści są ogromne. Gdy tylko nowe zegary staną się powszechne, można je będzie wykorzystać do zwiększenia dokładności systemu nawigacji do skali centymetrów, co zrewolucjonizuje sposób mierzenia Ziemi. Przenośne zegary optyczne doskonale nadają się do wykrywania fal grawitacyjnych za pomocą satelitów odległych o wiele tysięcy kilometrów. Bardziej praktyczne zastosowanie polega na synchronizacji sieci telekomunikacyjnych i zwiększeniu ich wydajności. Ponadto, kiedy nowa technologia stanie się dostępna na szeroką skalę, przemysł nieuchronnie znajdzie nowe sposoby jej wykorzystania, czego obecnie nie możemy sobie nawet wyobrazić. - Za dziesięć lat i tak prawdopodobnie spóźnimy się na spotkanie z klientami, ale superprecyzyjne zegary mogą bardzo silnie przeniknąć społeczeństwo i zmienić sposób, w jaki patrzymy na naszą planetę i wszechświat - mówi Florian Schreck.

pozostałe wiadomości