Optische Atomuhren können die Genauigkeit der Zeit und der geografischen Position in unseren Mobiltelefonen, Computern und GPS-Systemen um das Tausendfache erhöhen. Derzeit sind sie jedoch zu groß und komplex, um in der Gesellschaft weit verbreitet zu sein. Nun hat ein Forscherteam der Purdue University (USA) und der Chalmers University of Technology (Schweden) eine Technologie entwickelt, die mit Hilfe von On-Chip-Mikrokämmen ultrapräzise optische Atomuhrsysteme deutlich kleiner und zugänglicher machen könnte – mit erheblichen Vorteilen für Navigation, autonome Fahrzeuge und die Überwachung von Geodaten.
Heute können uns unsere Mobiltelefone, Computer und GPS-Systeme dank der weltweit über 400 Atomuhren sehr genaue Zeitangaben und Positionsbestimmungen liefern. Alle Arten von Uhren – ob mechanisch, atomar oder eine Smartwatch – bestehen aus zwei Teilen: einem Oszillator und einem Zähler. Der Oszillator liefert eine periodische Variation einer bekannten Frequenz über die Zeit, während der Zähler die Anzahl der Zyklen des Oszillators zählt. Atomuhren zählen die Schwingungen von vibrierenden Atomen, die mit sehr präziser Frequenz zwischen zwei Energiezuständen wechseln.
Die meisten Atomuhren verwenden Mikrowellenfrequenzen, um diese Energieschwingungen in den Atomen zu induzieren. In den letzten Jahren haben Forscher auf diesem Gebiet die Möglichkeit erforscht, stattdessen Laser zu verwenden, um die Schwingungen optisch zu induzieren. Wie ein Lineal mit einer großen Anzahl von Ticks pro Zentimeter ermöglichen optische Atomuhren die Unterteilung einer Sekunde in noch mehr Zeitbruchteile, was zu tausendmal genaueren Zeit- und Positionsangaben führt.
„Die heutigen Atomuhren ermöglichen GPS-Systeme mit einer Positionsgenauigkeit von einigen Metern. Mit einer optischen Atomuhr kann man eine Genauigkeit von wenigen Zentimetern erreichen. Dies verbessert die Autonomie von Fahrzeugen und allen elektronischen Systemen, die auf Positionierung basieren. Eine optische Atomuhr kann auch minimale Änderungen der geografischen Breite auf der Erdoberfläche erkennen und kann beispielsweise zur Überwachung vulkanischer Aktivitäten eingesetzt werden“, sagt Prof. Minghao Qi von der Purdue University, Mitautor einer Studie, die kürzlich in Nature Photonics veröffentlicht wurde.
Die heute existierenden optischen Atomuhren sind jedoch sperrig und erfordern komplexe Laboratorien mit spezifischen Lasereinstellungen und optischen Komponenten, was ihre Verwendung außerhalb von Laborumgebungen, etwa in Satelliten, entfernten Forschungsstationen oder Drohnen, erschwert. Nun hat ein Forscherteam der Purdue University und der Chalmers University eine Technologie entwickelt, die optische Atomuhren deutlich kleiner und für einen breiteren Einsatz in der Gesellschaft zugänglich macht.
System durch Mikrokämme miniaturisiert
Das Kernstück der neuen Technologie, die in einem kürzlich in Nature Photonics veröffentlichten Forschungsartikel beschrieben wird, sind kleine, chipbasierte Geräte, die Mikrokämme genannt werden. Wie die Zähne eines Kammes können Mikrokämme ein Spektrum gleichmäßig verteilter Lichtfrequenzen erzeugen.
„Dadurch kann eine der Kammfrequenzen an eine Laserfrequenz gekoppelt werden, die wiederum an die Schwingung der Atomuhr gekoppelt ist“, sagt Minghao Qi.
Optische Atomuhren bieten zwar eine viel höhere Präzision, aber die Oszillationsfrequenz liegt im Bereich von Hunderten von THz – eine Frequenz, die zu hoch ist, als dass elektronische Schaltungen sie direkt „zählen“ könnten. Doch die Mikrokamm-Chips der Forscher konnten das Problem lösen – und gleichzeitig das Atomuhrsystem erheblich schrumpfen lassen.
„Glücklicherweise können unsere Mikrokamm-Chips als Brücke zwischen den optischen Signalen der Atomuhr und den Funkfrequenzen fungieren, die zum Zählen der Schwingungen der Atomuhr verwendet werden. Außerdem ermöglicht die minimale Größe der Mikrokämme eine erhebliche Verkleinerung des Atomuhrsystems bei gleichzeitiger Beibehaltung seiner außergewöhnlichen Präzision“, so Victor Torres Company, Professor für Photonik an der Chalmers University und Mitautor der Studie.
Lösung der Herausforderung der Selbstreferenz
Ein weiteres großes Hindernis bestand darin, gleichzeitig die für die Stabilität des Gesamtsystems erforderliche „Selbstreferenz“ zu erreichen und die Frequenzen des Mikrokamms genau auf die Signale der Atomuhr abzustimmen.
„Es stellte sich heraus, dass ein Mikrokamm nicht ausreicht, und es gelang uns, das Problem durch die Paarung zweier Mikrokämme zu lösen, deren Kammabstände, d.h. Frequenzintervalle zwischen benachbarten Zähnen, eng beieinander liegen, aber mit einem kleinen Versatz, z.B. 20 GHz. Diese 20-GHz-Offsetfrequenz dient als Taktsignal, das elektronisch detektierbar ist. Auf diese Weise konnten wir das System dazu bringen, das exakte Zeitsignal einer Atomuhr auf eine leichter zugängliche Radiofrequenz zu übertragen“, sagt Kaiyi Wu, der Hauptautor der Studie an der Purdue University.
Chip-basierte Laseroptik ebnet den Weg für zugängliche optische Atomuhren
Das neue System umfasst auch integrierte Photonik, die chip-basierte Komponenten anstelle von sperrigen Laseroptiken verwendet.
„Die photonische Integrationstechnologie ermöglicht es, die optischen Komponenten optischer Atomuhren, wie Frequenzkämme, Atomquellen und Laser, auf winzigen photonischen Chips in Mikrometer- bis Millimetergröße zu integrieren, wodurch Größe und Gewicht des Systems erheblich reduziert werden“, sagt Dr. Kaiyi Wu. Kaiyi Wu.
Die Innovation könnte den Weg für die Massenproduktion ebnen und optische Atomuhren für eine Reihe von Anwendungen in Gesellschaft und Wissenschaft erschwinglicher und zugänglicher machen. Das System, das zum „Zählen“ der Zyklen einer optischen Frequenz erforderlich ist, benötigt neben den Mikrokämmen zahlreiche weitere Komponenten, wie Modulatoren, Detektoren und optische Verstärker. Diese Studie löst ein wichtiges Problem und zeigt eine neue Architektur, aber die nächsten Schritte bestehen darin, alle notwendigen Elemente zusammenzubringen, um ein komplettes System auf einem Chip zu schaffen.
„Wir hoffen, dass künftige Fortschritte bei den Materialien und Fertigungstechniken die Technologie weiter rationalisieren können und uns einer Welt näher bringen, in der die ultrapräzise Zeitmessung ein Standardmerkmal in unseren Mobiltelefonen und Computern ist“, sagt Victor Torres Company.
Mehr über die Studie:
Die Studie „Vernier Mikrokämme für integrierte optische Atomuhren“ wurde in Nature Photonics veröffentlicht. Die Autoren sind Kaiyi Wu, Nathan P. O’Malley, Saleha Fatema, Cong Wang, Marcello Girardi, Mohammed S. Alshaykh, Zhichao Ye, Daniel E. Leaird, Minghao Qi, Victor Torres-Company und Andrew M. Weiner. Zum Zeitpunkt der Studie waren die Forscher an der Purdue University, USA, der Chalmers University of Technology, Schweden, und der King Saud University, Saudi-Arabien, tätig.
