ครีปแสงความถี่แบบใหม่ช่วยขับเคลื่อนการพัฒนานาฬิกาอะตอมแบบพกพาและระบบนำทาง

นักวิจัยได้สาธิตคริปแสงความถี่แบบบนครีปซึ่งในขั้นตอนทดสอบสำคัญมีประสิทธิภาพเทียบเท่าระบบขนาดใหญ่บนโต๊ะทำงาน พร้อมทั้งอนุญาตให้อุปกรณ์เพียงชิ้นเดียวดำเนินการวัดหลายงาน ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญสู่การพัฒนานาฬิกาอะตอมแบบพกพาและระบบนำทางที่ไม่ต้องพึ่งพา GPS อุปกรณ์นี้ใช้วิธีใหม่ที่เรียกว่าการขับเคลื่อนโซลิโทนหุ้มกลไกพารามิเตอร์แบบจัดตัวเอง (Self-aligned Parameter-driven Cavity Soliton: SParCS) แสงความถี่สร้างชุดความถี่แสงที่ห่างกันอย่างแม่นยำ ทำหน้าที่เป็นไม้บรรทัดที่นักวิทยาศาสตร์ใช้วัดความถี่แสงและเชื่อมโยงกับสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ นักวิจัยจากสถาบันควอนตัมร่วม (JQI) สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) และพันธมิตรระหว่างประเทศ ได้ทดสอบครีปนี้โดยการเชื่อมโยงสัญญาณไมโครเวฟ (กระจายตัวหลายพันล้านรอบต่อวินาที) กับแหล่งแสงที่ทำงานที่หลายร้อยเทราเฮิรตซ์

ในการทดสอบนาฬิกาอะตอมหนึ่งครั้ง ครีปนี้ได้แปลงอ้างอิงแสงที่มีความเสถียรสูงสุดเป็นสัญญาณไมโครเวฟที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมสามารถอ่านได้ ความถี่แสงดิ้นที่วัดได้ซึ่งมีความถี่หลายร้อยเทราเฮิรตซ์ แตกต่างจากค่าอะตอมที่คาดการณ์ไว้ประมาณ 100,000 รอบต่อวินาที

นวัตกรรมของวิธี SParCS

แสงความถี่ระดับครีปแบบดั้งเดิมมักจะฉีดเลเซอร์ตัวเดียวเข้าไปในโคจรสั่นร่วมวงแหวนขนาดเล็ก ผลลัพธ์คือแสงความถี่ที่ขยายไปทั้งสองข้างของความถี่ แต่ "ฟัน" ที่ปลายอาจอ่อนแอและไม่ชัดเจนพอ ต้องอุปกรณ์เพิ่มเติมมาขยายและทำให้เสถียร SParCS ใช้เลเซอร์สองตัวที่มีความถี่ต่างกันทำหน้าที่เป็นขอบหรือ "กั้นหนังสือ" ของแสงความถี่ ความถี่อื่นๆ จะถูกสร้างขึ้นระหว่างพวกเขา นักวิจัยได้รวมวิธีนี้กับเทคนิคการซิงโครไนซ์ เพื่อจัดแนวเส้นความถี่ให้เป็นแสงความถี่ที่ใช้งานได้ ซึ่งแก้ไขปัญหาที่ทีมพบเมื่อสาธิตโซลิโทนขับเคลื่อนพารามิเตอร์ครั้งแรกในปี 2024

การทดสอบครั้งนั้นสร้างชุดเส้นความถี่ทับซ้อนหลายชุด ทำให้อุปกรณ์ยากต่อการนำไปใช้วัดจริง การออกแบบสองเลเซอร์ยังช่วยให้นักวิจัยสร้างแสงความถี่ที่ครอบคลุมหนึ่งออคทีฟได้ หมายความว่าความถี่สูงสุดสูงกว่าความถี่ต่ำสุดประมาณสองเท่า ช่วงนี้มีความสำคัญต่อการกำหนดค่าปรับศูนย์ความถี่ของแสงความถี่ ซึ่งเป็นการปรับเทียบที่จำเป็นสำหรับการวัดความถี่อย่างแม่นยำ

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของครีป

นักวิจัยได้เปรียบเทียบครีปนี้โดยตรงกับแสงความถี่บนโต๊ะแบบดั้งเดิม โดยใช้แหล่งไมโครเวฟและแสงเดียวกัน ในช่วงการทดสอบของพวกเขา ความถี่ที่ครีปนี้สร้างขึ้นมีความเสถียรและประสิทธิภาพด้านสัญญาณรบกวนประมาณเท่ากับระบบขนาดใหญ่ ทีมยังได้ทำการแปลงย้อนกลับ คือแปลงความเสถียรของแหล่งแสงเป็นสัญญาณไมโครเวฟ ด้วยอ้างอิงเลเซอร์สัญญาณรบกวนต่ำ ครีปนี้ผลิตไมโครเวฟสัญญาณรบกวนต่ำ ซึ่งความสามารถนี้อาจประโยชน์ต่อเรดาร์และระบบวัดคุณภาพสูงอื่นๆ อีกด้วย สำคัญคือนักวิจัยใช้ครีปเดียวกันในสาธิตที่ต่างกัน โดยเปลี่ยนเพียงแหล่งแสงที่เชื่อมต่อ ไม่ได้ผลิตไมโครแสงความถี่เฉพาะเจาะจงสำหรับแต่ละแอปพลิเคชัน

นักวิทยาศาสตร์วิจัยของ JQI กรีกอรี มอย (Grégory Moille) กล่าวว่า: "ในฐานะนักทดลอง แสงความถี่ใหม่นี้ลดความซับซ้อนของงานของเรามาก ยกระบวนการนี้ทำให้เพียงผู้ปฏิบัติงานคนเดียวก็สามารถจัดการแต่ละแอปพลิเคชันได้"

นักวิจัยระบุว่าการทดลองแสงความถี่บนครีปแบบก่อนหน้านี้อาจต้องใช้คนหลายคนหลายสัปดาห์หรือหลายเดือนถึงจะได้ผลลัพธ์จริง ห้องปฏิบัติการของพวกเขาตอนนี้ได้ย้ายการทดลองไมโครแสงความถี่ส่วนใหญ่ไปใช้ SParCS และในปีที่ผ่านมาได้ทำให้ไมโครแสงความถี่เสถียรมากกว่า 10 เท่าของทุกปีก่อนหน้ารวมกัน ทีมยังคงวางแผนขยายช่วงความถี่ และศึกษาว่าวิธีนี้จะสามารถทำงานด้วยเลเซอร์เพียงตัวเดียวได้ในที่สุดหรือไม่ ผลงานวิจัยนี้ได้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature

ผลกระทบของครีปใหม่ต่อการวัดความถี่

การเข้ามาของครีปแสงความถี่แบบใหม่นี้ เป็นการทำเครื่องหมายความก้าวหน้าสำคัญของเทคโนโลยีวัดความถี่ ผ่านวิธี SParCS นักวิจัยเพิ่มความเสถียรและความแม่นยำของแสงความถี่ได้สำเร็จ ทำให้นาฬิกาอะตอมแบบพกพาและระบบนำทางมีความเป็นไปได้มากขึ้น เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่ลดความซับซ้อนของกระบวนการทดลอง แต่ยังเพิ่มประสิทธิภาพการทดลองอย่างมีนัยสำคัญ และมีคุณค่าการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้สำหรับระบบวัดคุณภาพสูงในอนาคต เช่น เรดาร์ ด้วยการวิจัยที่ลึกซึ้งขึ้น หากสามารถบรรลุการทำงานด้วยเลเซอร์เพียงตัวเดียว จะขับเคลื่อนการแพร่หลายและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ต่อไป