Des scientifiques britanniques ont créé un "moteur éternel" pour faire fonctionner la prochaine génération d'horloge atomique.

La synchronisation précise est essentielle pour des systèmes tels que la navigation mondiale, la cartographie par satellite, l'établissement de la composition des exoplanètes et les prochaines générations de télécommunications. Mais les horloges atomiques sont actuellement des appareils massifs - pesant des centaines de kilogrammes - qui doivent être logés dans des conditions précises et difficiles à maintenir.

C'est pourquoi des scientifiques du monde entier se précipitent pour créer des versions portables qui fonctionneront dans des conditions réelles et pourraient remplacer les systèmes de navigation par satellite existants, tels que le GPS et Galileo.

Aujourd'hui, des recherches entreprises à l'Université du Sussex et poursuivies à l'Université de Loughborough ont résolu une pierre d'achoppement majeure dans le développement de ces horloges atomiques portables, en trouvant comment allumer de manière fiable leur appareil de comptage et les faire fonctionner.

Les microcombes sont un élément fondamental des futures horloges atomiques optiques - ils permettent de compter l'oscillation du "pendule atomique" dans l'horloge, convertissant l'oscillation atomique à des centaines de billions de fois par seconde en un milliard de fois par seconde - une fréquence gigahertz , que les systèmes électroniques modernes peuvent facilement mesurer.

Basés sur des micropuces optiques compatibles électroniques, les micropeignes sont les meilleurs candidats pour miniaturiser la prochaine génération de chronométrage ultraprécis. Ce sont des sources de technologie laser de pointe, composées de lignes laser ultraprécises, équidistantes dans le spectre, qui ressemblent à un peigne.

Ce spectre particulier ouvre un éventail d'applications mêlant mesure du temps ultra-précise et spectroscopie qui pourraient conduire à la découverte d'exoplanètes ou d'instruments médicaux ultra-sensibles basés simplement sur des analyses respiratoires.

"Rien de tout cela ne sera jamais possible si les microcombs sont si sensibles qu'ils ne peuvent pas maintenir leur état même si quelqu'un entre juste dans le laboratoire", a déclaré le professeur Alessia Pasquazi, qui a commencé ce projet financé par l'ERC et l'EPSRC à Sussex avant de déménager à Loughborough avec son équipe, le mois dernier.

Dans un nouvel article publié dans la revue Nature , des recherches menées à l'Université du Sussex par le professeur Pasquazi et son équipe ont identifié un moyen de permettre au système de démarrer par lui-même et de rester dans un état stable, en se récupérant essentiellement.

"Nous avons essentiellement un" moteur éternel "- comme Snowpiercer si vous le regardez - qui revient toujours au même état si quelque chose arrive à le perturber", a déclaré le professeur Pasquazi.

"Un microcomb bien élevé utilise un type spécial d'onde, appelé cavité-soliton, qui n'est pas simple à obtenir. Comme le moteur d'une voiture à essence, un microcomb préfère rester dans un" état éteint ". Lorsque vous démarrez votre voiture, vous avez besoin d'un démarreur qui fait tourner le moteur correctement."

"Pour le moment, les micropeignes n'ont pas de bon 'démarreur'. C'est comme avoir votre voiture avec la batterie constamment cassée, et vous avez besoin de quelqu'un pour la pousser vers le bas chaque fois que vous devez l'utiliser, en espérant qu'elle démarrera. parle simplement dans la salle, vous voyez que nous avons un problème ici."

Le professeur Marco Peccianti, qui a travaillé sur la recherche à l'Université du Sussex et dirige le Centre de recherche photonique émergente nouvellement financé à l'Université de Loughborough, a ajouté qu'"en 2019, nous avions déjà démontré que nous pouvions utiliser un type d'onde différent pour obtenir des micropeignes".

"Nous les avons appelés solitons à cavité laser parce que nous avons intégré directement la micropuce dans un laser standard et nous avons obtenu une grande amélioration de l'efficacité."

"Nous avons montré maintenant que notre soliton peut être naturellement transformé en le seul état du système, et nous appelons ce processus "l'auto-émergence"."

Le Dr Juan Sebastian Totero Gongora, chercheur EPSRC en technologies quantiques à Loughborough, a expliqué que "cela fonctionne comme un système thermodynamique simple, qui est régi par des" variables globales ", comme la température et la pression".

"A la pression atmosphérique, vous êtes toujours sûr de trouver de l'eau sous forme de glace à -5 degrés ou de vapeur au-dessus de 100 degrés, quoi qu'il soit arrivé aux molécules d'eau auparavant."

Dr Maxwell Rowley, qui a obtenu son doctorat. à l'Université de Sussex développant ce système avec le professeur Pasquazi, et qui travaille maintenant avec CPI TMD Technologies, une division de Communications &Power Industries (CPI), où les travaux se poursuivent pour commercialiser le microcomb, a ajouté que "de même, lorsque nous réglons le courant entraînant le laser à la valeur appropriée, nous sommes ici assurés que le micropeigne fonctionnera dans l'état soliton souhaité."

"Il s'agit d'un système défini et oublié - un" moteur éternel "qui récupère toujours l'état correct."

L'article a été publié cette semaine en collaboration avec des collègues de l'Université du Sussex, de la City University of Hong Kong, du Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, en Chine, de la Swinburne University of Technology en Australie, de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) au Canada et l'Université de Strathclyde.

La poursuite de cette technologie est un objectif clé du nouveau centre de recherche du laboratoire de photonique émergente, qui se concentrera sur les technologies optiques de pointe à Loughborough.

Le microcomb est un composant central pour créer une référence de temps portable et ultra-précise, ce qui est essentiel pour la génération actuelle et la prochaine génération de télécommunications (5 et 6G + et communication par fibre), la synchronisation du réseau (par exemple, le réseau électrique) et il réduira notre dépendance au GPS.

Les micropeignes auto-émergentes seront directement utilisées dans les références d'ions calcium à base de fibres optiques, poursuivies sous le soutien d'Innovate UK et la direction du professeur Matthias Keller de l'Université du Sussex avec les technologies CPI TMD, et dans le cadre d'une collaboration plus large sur les technologies quantiques, y compris co-auteur du professeur Roberto Morandotti à l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) du Canada.

Le professeur Pasquazi déclare que "les microcombes devraient révolutionner les réseaux de télécommunication, qui utilisent de nombreuses couleurs différentes pour transférer autant d'informations que possible."

"Alors que les réseaux utilisent actuellement des lasers séparés pour chaque couleur, les micropeignes fourniront une alternative compacte et économe en énergie, avec la possibilité de transférer également un chronométrage ultra-précis."

"La poursuite des technologies de télécommunications de nouvelle génération est l'un des objectifs de notre collaboration avec l'Université de Swinburne et le co-auteur, le professeur David Moss."

"Nous collaborons avec leur département d'astronomie, espérons qu'un jour ces "règles optiques" permettront leur recherche d'exoplanètes." + Explorer plus loin

Un nouveau micropeigne pourrait aider à découvrir des exoplanètes et à détecter des maladies