گامی نزدیک‌تر به ساخت ساعتی که می‌تواند جایگزین سامانه‌های ناوبری شود
دانشمندان در آزمایشگاه EPic در دانشگاه ساسکس با پیشرفتی غیر‌منتظره به یک عنصر حیاتی از ساعت اتمی دست یافتند. این آزمایشگاه با تمرکز روی خصایص فوتونیک در سیستم‌های نورشناسی غیرخطی به دستاوردی رسیده است که می‌تواند در آینده وابستگی به تصویربرداری ماهواره‌ای را با استفاده از فناوری‌های نوین پرتو لیزر کاهش دهد؛ این در‌حالی است که دانشمندان از سراسر جهان در یک ماراتن سخت به‌دنبال دستیابی به این کیفیت هستند.
هم‌اکنون، انگلستان متکی به تصویربرداری ماهواره‌ای ایالات متحده و اتحادیه اروپا است تا خدماتی از قبیل ناوبری در بسیاری از گوشی‌های همراه و اتوموبیل‌ها قابل ارائه شود. این وابستگی نه‌تنها باعث می‌شود که انگلیس از منظر منافع سیاست بین‌الملل آسیب‌پذیر باشد، بلکه مسئله‌ی دسترسی به سیگنال ماهواره‌های و منافع آن مانند GPS و Galileo نیز ذاتاً امر مهمی است.
دکتر آلیسا پاسکوئزی از آزمایشگاه EPic دانشکده علوم ریاضی و فیزیک دانشگاه ساسکس این دستاورد تازه را این‌گونه شرح می‌دهد: «هنگامی‌که شما یک ساعت اتمی قابل حمل دارید، از فرصت‌های زیادی برخوردار خواهید شد. مثلاً یک آمبولانس حتی اگر درون یک تونل هم باشد هنوز به نقشه‌برداری دسترسی خواهد داشت و یک مسافر نیز می‌تواند مسیر خود را حتی در حالی‌که زیرزمین است، بدون استفاده از سیگنال‌های تلفن حتی در حومه شهر نیز پیدا کند. ساعت‌های اتمی قابل حمل بسیار دقیق روی نقشه‌های جغرافیایی کار خواهند کرد و به شما فرصت می‌دهند مکان خود را بیابید و مسیر مناسب را برنامه‌ریزی کنید، بدون اینکه نیازی به سیگنال ماهواره‌ای داشته باشید.»
این دستاورد مهم که باعث امیدواری زیادی در پژوهشگران ساسکس شده است، باعث می‌شود که کار‌ایی بخشی از ساعت که وظیفه شمارش را برعهده دارد تا ۸۰ درصد بهبود پیدا کند و در نتیجه آن ممکن است در ۲۰ سال آینده ساعت‌های اتمی قابل حمل جایگزین خدمات نقشه‌های ماهواره‌ای همانند GPS شوند. این فناوری زندگی روزمره مردم را تغییر خواهد داد و در فناوری خودروها و پهپادهای بدون سرنشین و حتی صنعت هوافضا نیز تحول ایجاد خواهد کرد.
ساعت‌های اتمی نوری جایگاه بلند‌مرتبه‌ای در ابزار اندازه‌گیری زمان دارند و در هر ده میلیارد سال تنها یک ثانیه را از دست می‌دهند؛ در نظر بگیرد که دانشمندان معتقدند سن زمین در حدود ۴/۶ میلیارد است. با این وجود، آن‌ها دستگاه‌های بزرگی هستند که تا صدها کیلوگرم وزن دارند. برای کسب یک نتیجه مطلوب و همچنین فرصت استفاده توسط افراد معمولی، ابعاد آن‌ها باید کاهش پیدا کند؛ در عین اینکه در دقت و سرعتشان خدشه‌ای وارد نشود.
یک ساعت اتمی نوری بر پایه ویژگی‌های کوانتومی از سیگنال یک اتم محبوس‌شده در یک محفظه ساخته می‌شود که وظیفه شمارش همچون آونگ در ساعت‌های رایج را برعهده دارد و یک میدان الکترومغناطیسی از یک پرتو نور با نوسان صدها تریلیون بار در ثانیه است. دستگاه شمارش ساعت مورد نیاز برای کار در این سرعت سرسام‌آور یک شانه فرکانس نوری است تا بتواند فرکانس‌ها را با دقت و حساسیت بالا اندازه‌گیری کند. یک لیزر بسیار ارتقاءیافته با پایداری بالا منتشر می‌شود و همزمان تعداد بسیاری از رنگ‌ها با تشخیص دقیق فرکانس تعیین می‌شوند.
مبنای دقت فاصله بین خطوط طیفی در شانه فرکانس نوری است. فرایند افزایش دقت و در عین حال کاهش ابعاد دستگاه شانه فرکانس نوری با کمک دستگاهی به میکرورزوناتورهای نوری میسر می‌شود. این دستگا‌‌ه‌ها در مدت بیش از ده‌سال گذشته برای دست یافتن به ظرفیت کامل شانه فرکانس در ابعاد کوچک‌تر و تجربه انقلابی بزرگ در دانش نور باعث رویاپردازی‌ها و آینده‌نگری‌های فراوانی در محافل علمی سراسر جهان شدند. بااین‌حال آن‌ها دستگاه‌های حساس با عملکردی پیچیده و به‌طور معمول مناسب نیاز ساعت‌های اتمی نیستند.
جزئیات این پیشرفت چشم‌گیر در آزمایشگاه EPic در ژورنال Nature Photonics منتشر شده و در آن به‌ویژگی فوق‌العاده کارآمد و قابل اعتماد میکرو شانه اشاره شده است.
دکتر پاسکوئزی اظهار کرد سالیتون امواج ویژه‌ای هستند که دربرابر آشفتگی بسیار قدرتمند هستند و در حین انتقال از محیط‌ها، ویژگی‌های خود را حفظ می‌کنند. برای مثال سونامی را می‌توان سالیتون آب به‌شمار آورد. آن‌ها می‌توانند بدون آشفتگی در مسافت‌های باور‌نکردنی جابه‌جا شوند؛ همان‌طور که پس از زلزله سال ۲۰۱۱ ژاپن بعضی از آن‌ها حتی به سواحل کالیفرنیا هم رسیدند. پروهشگران به‌جای استفاده از آب در آزمایش دانشگاه ساسکس که توسط دکتر هیلوناگ بائو انجام شده، از پالس‌های نوری در یک کاواک که روی یک تراشه نگه‌داری می‌شوند، استفاده می‌کنند. رویکرد مشخص آن‌ها، واردکردن تراشه براساس لیزر در فیبر نوری بود؛ همانند فناوری مورد استفاده در اینترنت خانگی. سالیتونی که در این ترکیب سفر می‌کند هم مزایای میکرو کاواک و هم قابلیت تولید رنگ‌های بیشتری دارد؛ درحالی‌که همچنان پایدار و منعطف در کنترل لیزر پالسی است و گام بعدی، انتقال این فناوری بر پایه تراشه به فناوری فیبر در نظر گرفته شده است.
پروفسور مارکو پکیانتی از دانشگاه ساسکس اضافه می‌کند: «ما در جهت ادغام دستگاه خودمان با the ultra-compact atomic reference هستیم که نقش همان آونگ را بازی کند و توسط تیم پژوهش پروفسور ماتیاس کلر در دانشگاه ساسکس توسعه می‌یابد. ما با همکاری یکدیگر قصد داریم یک ساعت اتمی قابل حمل را توسعه دهیم که می‌تواند انقلابی در روش‌های شمارش زمان در آینده باشد.
پیشرفت ما همچون گامی بزرگ در جهت تولید ساعت‌های اتمی کاربردی است و درباره برنامه‌های خودمان نیز هیجان‌زده هستیم؛ برنامه‌هایی از مشارکت با صنعت هوافضا که می‌تواند در طول ۵ سال آینده به نتیجه برسد تا ساعت‌های اتمی قابل حملی که طی بیست سال آینده در گوشی‌های همراه مردم و درون پهپادها و خودروهای بدون سرنشین ظهور پیدا می‌کنند.»