Optyczny zegar atomowy dla każdego? Pracują nad tym na UMK

Fizycy z UMK w ramach międzynarodowego konsorcjum iqClock pracują nad stworzeniem optycznego zegara atomowego, który będzie dostępny nie tylko dla naukowców w laboratoriach, ale trafi do powszechnego użytku.

Zespół prof. Michała Zawady z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK wszedł do międzynarodowego konsorcjum iqClock, które konstruuje ultraprecyzyjne zegary – nie tylko na potrzeby laboratoriów, ale do powszechnego użytku. Jest to możliwe za sprawą ostatnich osiągnięć w dziedzinie mechaniki kwantowej oraz połączenia know-how w nauce i przemyśle.

– Optyczne zegary atomowe, które są obecnie najdokładniejszymi naukowymi urządzeniami do pomiaru czasu (gdyby działały przez całe życie wszechświata, czternaście miliardów lat, straciłyby jedynie sekundę), istnieją już w niektórych laboratoriach – informuje Dział Promocji i Informacji UMK. – Pierwszy w Polsce powstał w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki UMK.

Mimo swojej precyzji optyczne zegary atomowe mają dwie wady: są bardzo trudne do skonstruowania i zajmują całe pomieszczenia laboratoryjne. iqClock zamierza wyeliminować te niedoskonałości, aby umożliwić ludziom szeroki dostęp do ultradokładnych zegarów.

Jak można je uprościć?

„W normalnych zegarach optycznych częstotliwość lasera optycznego jest precyzyjnie dostrajana przez świecenie bardzo stabilnej wiązki lasera na wibrujące atomy, obserwowanie ich reakcji i regulowanie częstotliwości lasera tak, aby dwie wibracje były idealnie dopasowane. Fizycy znaleźli teraz łatwiejszy sposób – po prostu pozwalają, by drgające atomy same uformowały wiązkę lasera. Oznacza to, że wytworzona wiązka laserowa składa się z tych samych atomów, które są używane do zapewnienia częstotliwości odniesienia, i które sprawiają, że zegar tyka. Konstrukcja ta została nazwana „nadpromienistym” laserem (superradiant laser). Podwójne użycie tych samych atomów powinno znacznie ułatwić skonstruowanie optycznych zegarów atomowych: atomy nie tylko zapewniają bardzo stabilne światło, ale też to światło ma automatycznie właściwą częstotliwość”.

Główny element konstrukcyjny „nadpromienistych” zegarów – ciągłe źródło ultrazimnych atomów (atomów strontu w zaledwie kilku milionowych stopnia powyżej zera absolutnego) – został niedawno zrealizowany przez zespół badaczy prowadzony przez Floriana Schrecka z Uniwersytetu w Amsterdamie.

W tym samym czasie na Uniwersytecie w Birmingham fizyk Yeshpal Singh przedstawił inicjatywę opracowania przemysłowych optycznych zegarów atomowych, planując usunięcie drugiej wady – dużego rozmiaru i kruchości istniejących urządzeń. Nic zatem nie stoi na przeszkodzie, by zegary atomowe funkcjonowały w codziennym życiu.

Konsorcjum iqClock zostało wsparte kwotą 10 mln euro (na okres najbliższych trzech lat) w ramach pieniędzy unijnych. Do czego mogą posłużyć nowe zegary po ich upowszechnieniu? Będzie można je wykorzystać do zwiększenia dokładności systemu nawigacji do skali centymetrów, co zrewolucjonizuje sposób mierzenia Ziemi, wykrywania fal grawitacyjnych za pomocą satelitów odległych o wiele tysięcy kilometrów.

„Bardziej praktyczne zastosowanie polega na synchronizacji sieci telekomunikacyjnych i zwiększeniu ich wydajności. Ponadto, kiedy nowa technologia stanie się dostępna na szeroką skalę, przemysł nieuchronnie znajdzie nowe sposoby jej wykorzystania, czego obecnie nie możemy sobie nawet wyobrazić” – informuje Dział Promocji i Informacji UMK.

– Za dziesięć lat i tak prawdopodobnie spóźnimy się na spotkanie z klientami, ale superprecyzyjne zegary mogą bardzo silnie przeniknąć społeczeństwo i zmienić sposób, w jaki patrzymy na naszą planetę i wszechświat – mówi Florian Schreck.