Por primera vez, un reloj óptico ha viajado al espacio, sobreviviendo a las duras condiciones de lanzamiento de cohetes y operando con éxito bajo la microgravedad que se experimentaría en un satélite. Esta demostración acerca la tecnología del reloj óptico mucho más cerca de la implementación en el espacio, donde podríaeventualmente permite la navegación basada en GPS con precisión de ubicación a nivel de centímetro.
En el diario de The Optical Society para investigación de alto impacto óptica , los investigadores informan sobre un nuevo sistema láser de peine de frecuencia compacto, robusto y automatizado que fue clave para el funcionamiento del reloj óptico espacial. Los peines de frecuencia son los "engranajes" necesarios para hacer funcionar los relojes en frecuencias ópticas.
"Nuestro dispositivo representa una piedra angular en el desarrollo de futuros relojes de precisión y metrología basados en el espacio", dijo Matthias Lezius de Menlo Systems GmbH, primer autor del artículo. "El reloj óptico realizó lo mismo en el espacio como lo hizo en eltierra, lo que demuestra que nuestra ingeniería de sistemas funcionó muy bien "
Usando el tiempo para la ubicación
Los teléfonos y otros dispositivos habilitados para GPS señalan su ubicación en la Tierra contactando al menos cuatro satélites con relojes atómicos. Cada uno de estos satélites proporciona una marca de tiempo, y el sistema calcula su ubicación en función de las diferencias relativas entre esos tiempos.Los relojes utilizados en los satélites actuales se basan en la oscilación natural del átomo de cesio, una frecuencia en la región de microondas del espectro electromagnético.
Los relojes ópticos usan átomos o iones que oscilan aproximadamente 100,000 veces más que las frecuencias de microondas, en la parte óptica o visible del espectro electromagnético. Las frecuencias más altas significan que los relojes ópticos "hacen tictac" más rápido que los relojes atómicos de microondas y por lo tanto podrían proporcionarmarcas de tiempo que son 100 a 1,000 veces más precisas, mejorando en gran medida la precisión del GPS.
Los peines de frecuencia son un componente importante de los relojes ópticos porque actúan como engranajes, dividiendo las oscilaciones más rápidas de los relojes ópticos en frecuencias más bajas para contarlas y vincularlas a un reloj atómico de referencia basado en microondas. En otras palabras, los peines de frecuencia permitenoscilaciones para medir con precisión y usar para decir la hora.
Hasta hace poco, los peines de frecuencia eran configuraciones muy grandes y complejas que solo se encontraban en los laboratorios. Lezius y su equipo en Menlo Systems, una empresa derivada del grupo de premios Nobel TW Hänsch en el Instituto Max Plank para Óptica Cuántica, desarrollaronun peine de frecuencia óptica totalmente automatizado que mide solo 22 por 14,2 centímetros y pesa 22 kilogramos.
El nuevo peine de frecuencia se basa en fibras ópticas, lo que lo hace lo suficientemente resistente como para viajar a través de las fuerzas de aceleración extremas y los cambios de temperatura experimentados al salir de la Tierra. Su consumo de energía es inferior a 70 vatios, dentro de los requisitos para dispositivos basados en satélites.
Viajando al espacio
Los investigadores combinaron su nuevo peine de frecuencia con un reloj de cesio atómico como referencia y un reloj óptico de rubidio desarrollado por grupos de investigación del Instituto Ferdinand Braun de Berlín y la Universidad Humbold de Berlín, así como un grupo de la Universidad de Hamburgo que recientemente se mudó a la Universidad de Mainz. AirbusDefence & Space GmbH participó en la construcción, la interfaz y la integración del módulo de carga útil que entró en el espacio y también proporcionó soporte y equipo durante el vuelo.
En abril de 2015, todo el sistema voló en un cohete de investigación para un vuelo parabólico de 6 minutos al espacio como parte del programa TEXUS que se lanza desde el Centro Espacial Esrange en Suecia. Una vez que se logró la microgravedad, el sistema comenzó a medir automáticamentey fue controlado desde la estación terrestre a través de un enlace de radio de bajo ancho de banda.
"El experimento demostró la funcionalidad del peine como un divisor de frecuencia comparativo entre la transición óptica de rubidio a 384 THz y el reloj de cesio que proporciona una referencia de 10 MHz", dijo Lezius.
Aunque el reloj óptico utilizado en la demostración tenía aproximadamente una décima parte de la precisión de los relojes atómicos utilizados en los satélites GPS en la actualidad, los investigadores ya están trabajando en una nueva versión que mejorará la precisión en varios órdenes de magnitud.
Detección global desde el espacio
Las mediciones de alta precisión posibles con peines de frecuencia podrían ser útiles para muchas aplicaciones. Por ejemplo, los peines de frecuencia basados en el espacio podrían mejorar la precisión de la detección remota global de gases de efecto invernadero de los satélites y podrían usarse para detectores de ondas gravitacionales basadas en el espacio.
"Las aplicaciones basadas en peines de frecuencia son bastante importantes para futuros relojes ópticos basados en el espacio, metrología de precisión y técnicas de observación de la tierra", dijo Lezius. "La preparación de la tecnología espacial de los peines de frecuencia se está desarrollando a un ritmo rápido".
Los investigadores planean volar una versión mejorada del reloj óptico al espacio a fines de 2017. En ese experimento, el módulo de peine de frecuencia no volará bajo un domo presurizado para probar qué tan bien funciona en las condiciones de vacío quese experimentaría en un satélite. Los investigadores también buscan mejorar aún más la resistencia del sistema a la radiación cósmica severa para garantizar que pueda funcionar durante varios años en órbita.
En unos pocos años, Lezius y su equipo apuntan a tener un módulo de peine de frecuencia calificado para el espacio que la comunidad espacial pueda usar en futuras misiones y aplicaciones. Apuntan a un dispositivo con un volumen de aproximadamente 3 litros que pese unos pocoskilogramos y tiene un consumo de energía de aproximadamente 10 vatios.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
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