Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont utilisé des horloges atomiques de pointe, détecteurs de lumière avancés, et un outil de mesure appelé peigne de fréquence pour multiplier par 100 la stabilité des signaux micro-ondes. Cela marque un pas de géant vers une meilleure électronique pour permettre une diffusion plus précise de l'heure, navigation améliorée, des communications plus fiables et une imagerie à plus haute résolution pour le radar et l'astronomie. L'amélioration de la cohérence du signal hyperfréquence sur une période de temps spécifique permet d'assurer un fonctionnement fiable d'un appareil ou d'un système.

Le travail transfère la stabilité déjà superbe des horloges atomiques de laboratoire de pointe fonctionnant à des fréquences optiques aux fréquences micro-ondes, qui sont actuellement utilisés pour calibrer l'électronique. Les systèmes électroniques sont incapables de compter directement les signaux optiques, ainsi, la technologie et les techniques du NIST transfèrent indirectement la stabilité du signal des horloges optiques au domaine des micro-ondes. La manifestation est décrite dans le 22 mai 2020, problème de Science .

Dans leur configuration, les chercheurs ont utilisé le « tic-tac » de deux des horloges à réseau d'ytterbium du NIST pour générer des impulsions lumineuses, ainsi que des peignes de fréquence servant d'engrenages pour traduire avec précision les impulsions optiques à haute fréquence en signaux micro-ondes à basse fréquence. Les photodiodes avancées ont converti les impulsions lumineuses en courants électriques, qui à son tour a généré un 10 gigahertz (GHz, ou un milliard de cycles par seconde) signal hyperfréquence qui suivait exactement le tic-tac des horloges, avec une erreur d'une seule partie dans un quintillion (1 suivi de 18 zéros). Ce niveau de performance est comparable à celui des deux horloges optiques et 100 fois plus stable que les meilleures sources micro-ondes.

« Des années de recherche, y compris des contributions importantes du NIST, ont abouti à des photodétecteurs à grande vitesse qui peuvent désormais transférer la stabilité de l'horloge optique au domaine des micro-ondes, " Le chercheur principal Frank Quinlan a déclaré. " La deuxième amélioration technique majeure a été le suivi direct des micro-ondes avec une grande précision, combiné avec beaucoup de savoir-faire dans l'amplification du signal."

Les ondes optiques sont plus courtes, cycles plus rapides que les micro-ondes, ils ont donc des formes différentes. En convertissant des ondes optiques stables en micro-ondes, les chercheurs ont suivi la phase - le moment exact des vagues - pour s'assurer qu'elles étaient identiques, et non décalés les uns par rapport aux autres. L'expérience a suivi les changements de phase avec une résolution correspondant à seulement un millionième de cycle.

« C'est un domaine où le simple fait de doubler la stabilité des micro-ondes peut prendre des années ou des décennies à atteindre, " Le chef du groupe Chris Oates a déclaré. "Cent fois mieux, c'est presque insondable."

Certains composants du système NIST, tels que les peignes de fréquence et les détecteurs, sont prêts à être utilisés dans les applications sur le terrain maintenant, dit Quinlan. Mais les chercheurs du NIST travaillent toujours sur le transfert d'horloges optiques de pointe vers des plates-formes mobiles. Les horloges en ytterbium, qui fonctionnent à des fréquences de 518 terahertz (billions de cycles par seconde), occupent actuellement de grandes tables dans des environnements de laboratoire hautement contrôlés.

Les signaux électroniques ultra-stables pourraient prendre en charge des applications répandues, y compris l'étalonnage futur des horloges électroniques, tels que les appareils électriques alimentés par des cristaux de quartz oscillants. Il s'agit d'une considération importante pour la redéfinition de l'étalon horaire international, la seconde SI, maintenant basé sur les fréquences micro-ondes absorbées par les atomes de césium dans les horloges conventionnelles. Dans les années à venir, la communauté scientifique internationale devrait sélectionner une nouvelle norme de temps basée sur les fréquences optiques que d'autres atomes, comme l'ytterbium, absorber. Des signaux super stables pourraient également rendre les systèmes de communication sans fil plus fiables.

Les signaux électroniques dérivés optiquement pourraient rendre les systèmes d'imagerie plus sensibles. Sensibilité radar, en particulier pour les objets lents, est maintenant limité par le bruit des micro-ondes et pourrait être grandement amélioré. Nouvelles photodiodes, produit en collaboration entre le NIST et l'Université de Virginie, convertir les signaux optiques en signaux micro-ondes de manière plus prévisible et avec moins de bruit que les conceptions précédentes. En outre, les micro-ondes pourraient transporter des signaux provenant d'horloges optiques distantes pour des applications dans la navigation et la recherche en physique fondamentale.

Imagerie astronomique et géodésie relativiste, qui mesure la forme gravitationnelle de la Terre, sont désormais basés sur la détection de signaux hyperfréquences sur des récepteurs du monde entier et leur combinaison pour former des images d'objets. L'étalonnage à distance de ces récepteurs pourrait permettre de déplacer le réseau de la Terre vers l'espace, ce qui améliorerait la résolution de l'image et éviterait les distorsions atmosphériques qui limitent le temps d'observation. Avec des heures d'observation au lieu de secondes, les chercheurs pourraient imager beaucoup plus d'objets.