Une équipe de chercheurs en ingénierie de l'UCLA et de l'OEWaves a développé un micro-oscillateur optique, un élément clé du chronométrage des horloges qui pourrait considérablement améliorer la précision du chronométrage, qui est essentiel pour une utilisation dans les engins spatiaux, la détection automobile ou les communications par satellite.

Un oscillateur optique est similaire à un pendule dans une horloge grand-père, seulement au lieu d'un mouvement de balancement pour garder le temps, son "tick" est la très haute fréquence du laser, ou cycles par seconde. Ce "pendule optique" est une lumière laser confinée dans un résonateur très silencieux qui permet à la lumière de rebondir sans perdre son énergie. Cette classe d'oscillateurs optiques est extrêmement précise. Cependant, ce sont de gros appareils autonomes, environ la taille d'un four de cuisine domestique, et doit être conservé dans des conditions de laboratoire parfaitement stables.

Le nouvel oscillateur a une stabilité de laboratoire, et est suffisamment petit et léger pour être potentiellement incorporé dans des satellites, dans les voitures pour une navigation ultra-précise, pour une mesure de très haute précision, ou même un appareil de tous les jours comme un smartphone. L'amélioration est de plusieurs ordres de grandeur meilleure par rapport au meilleur actuellement disponible en dehors d'un laboratoire, qui sont des oscillateurs à quartz dans les montres-bracelets de luxe, ordinateurs et smartphones. Le nouvel appareil profite également d'un phénomène découvert dans la cathédrale Saint-Paul de Londres.

Les chercheurs suggèrent que cela pourrait être utilisé dans des horloges atomiques miniaturisées pour les engins spatiaux et les satellites, pour lequel un timing précis est important pour la navigation. Il pourrait être utilisé pour la détection de distance et de rotation de précision pour les voitures et autres véhicules et dans la spectroscopie optique haute résolution, qui est utilisé pour imager les structures moléculaires et atomiques.

"Toute fluctuation de température ou de pression peut modifier la taille des oscillateurs, et modifie donc la distance parcourue par la lumière laser, Et ainsi, la précision de l'oscillation, " a déclaré Chee Wei Wong, professeur de génie électrique à l'École d'ingénierie et de sciences appliquées Henry Samueli de l'UCLA et chercheur principal de la recherche.

Pensez au moment où un cadre de porte se dilate ou se contracte en raison des changements de température. Aux petites échelles des oscillateurs optiques, même le plus petit changement de taille peut affecter sa précision.

Le nouvel oscillateur de l'équipe de recherche est précis et stable. La fréquence d'oscillation de la lumière ne change pas de plus de 0,1 partie par milliard. À la fois, ils ont réduit la taille de l'oscillateur à seulement 1 centimètre cube de volume.

"Le laser stabilisé miniature démontré dans ce travail est une étape clé dans la réduction de la taille, poids et puissance des horloges optiques, et de rendre possible leur disponibilité en dehors du laboratoire et pour des applications sur le terrain, " dit Luth Maleki, PDG d'OEwaves.

L'oscillateur optique de l'équipe de recherche est trois à cinq fois plus stable que les appareils existants car il n'est pas affecté lors de changements extrêmes de température et de pression. Sur la base des résultats expérimentaux, les chercheurs suggèrent également que sa stabilité pourrait être jusqu'à 60 fois meilleure.

"D'habitude, même des variations minimes de la température ou de la pression atmosphérique introduisent une incertitude de mesure d'un ordre de grandeur supérieur aux effets observés, " dit Jinkang Lim, un chercheur postdoctoral de l'UCLA au laboratoire d'optique mésoscopique et d'électronique quantique et l'auteur principal de l'étude. "Nous avons soigneusement conçu notre résonateur et l'avons isolé des fluctuations ambiantes. Ensuite, nous avons observé les changements infimes et constaté qu'il restait stable, même avec les changements environnementaux.

"Ce minuscule oscillateur pourrait conduire à des appareils de mesure et de navigation sur le terrain, où la température et la pression ne sont pas contrôlées et changent radicalement, " ajouta Lim. " Ce nouveau micro-oscillateur pourrait conserver sa précision, même dans des conditions environnementales hostiles."

Le micro-oscillateur optique, fonctionne à ce niveau de précision car il confine la lumière laser à l'intérieur de lui-même en utilisant ce que l'on appelle la résonance "en mode galerie de chuchotement", ainsi nommé en raison des similitudes avec la façon dont quelqu'un peut chuchoter quelque chose contre les murs du dôme de la cathédrale Saint-Paul de Londres, où ce phénomène a été signalé pour la première fois, qui sera complètement audible du côté opposé. Le phénomène est également présent dans la gare Grand Central de New York. Dans ce cas, l'onde lumineuse laser se propage le long de l'intérieur spécialement conçu du micro-résonateur. En outre, la fréquence reste stable car le micro-résonateur résiste aux changements de température et de pression. Finalement, les oscillations lumineuses elles-mêmes sont très distinctes, plutôt que "flou".