Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han utilizado relojes atómicos de última generación, detectores de luz avanzados y una herramienta de medición llamada peine de frecuencia para aumentar 100 veces la estabilidad de las señales de microondas.marca un paso gigante hacia una mejor electrónica para permitir una difusión del tiempo más precisa, una navegación mejorada, comunicaciones más confiables e imágenes de mayor resolución para radar y astronomía. Mejorar la consistencia de la señal de microondas durante un período de tiempo específico ayuda a garantizar el funcionamiento confiable de un dispositivo o sistema.
El trabajo transfiere la excelente estabilidad de los relojes atómicos de laboratorio de vanguardia que funcionan a frecuencias ópticas a frecuencias de microondas, que actualmente se utilizan para calibrar la electrónica. Los sistemas electrónicos no pueden contar directamente las señales ópticas, por lo que la tecnología y las técnicas NIST indirectamentetransferir la estabilidad de la señal de los relojes ópticos al dominio de microondas. La demostración se describe en la edición del 22 de mayo de 2020 de ciencia .
En su configuración, los investigadores utilizaron el "tictac" de dos de los relojes de celosía de iterbio del NIST para generar pulsos de luz, así como peines de frecuencia que sirven como engranajes para traducir los pulsos ópticos de alta frecuencia con precisión en señales de microondas de baja frecuencia.Los fotodiodos convirtieron los pulsos de luz en corrientes eléctricas, que a su vez generaron una señal de microondas de 10 gigahercios GHz o mil millones de ciclos por segundo que rastreó exactamente el tictac de los relojes, con un error de solo una parte en un quintillón 1 seguido por 18ceros .Este nivel de rendimiento es similar al de los relojes ópticos y 100 veces más estable que las mejores fuentes de microondas.
"Años de investigación, incluidas importantes contribuciones del NIST, han resultado en fotodetectores de alta velocidad que ahora pueden transferir la estabilidad del reloj óptico al dominio de microondas", dijo el investigador principal Frank Quinlan. "La segunda mejora técnica importante fue en el seguimiento directode las microondas con alta precisión, combinado con muchos conocimientos en amplificación de señal "
Las ondas ópticas tienen ciclos más cortos y rápidos que las microondas, por lo que tienen diferentes formas. Al convertir las ondas ópticas estables en microondas, los investigadores rastrearon la fase, el momento exacto de las ondas, para asegurarse de que fueran idénticas y nocambiado uno con respecto al otro. El experimento realizó un seguimiento de los cambios de fase con una resolución correspondiente a solo una millonésima parte de un ciclo.
"Este es un campo en el que duplicar la estabilidad de microondas puede llevar años o décadas lograrlo", dijo el líder del grupo Chris Oates. "Cien veces mejor es casi insondable"
Quinlan dijo que algunos componentes del sistema NIST, como los peines y detectores de frecuencia, están listos para usarse ahora en aplicaciones de campo. Pero los investigadores del NIST todavía están trabajando en la transferencia de relojes ópticos de última generación a plataformas móvilesLos relojes de iterbio, que funcionan a frecuencias de 518 terahercios billones de ciclos por segundo, actualmente ocupan grandes mesas en entornos de laboratorio altamente controlados.
Las señales electrónicas ultraestables podrían admitir aplicaciones generalizadas, incluida la calibración futura de relojes electrónicos, como dispositivos eléctricos alimentados por cristales de cuarzo oscilantes. Esta es una consideración importante para la redefinición del estándar de tiempo internacional, el segundo SI, ahora basado enlas frecuencias de microondas absorbidas por los átomos de cesio en los relojes convencionales. En los próximos años, se espera que la comunidad científica internacional seleccione un nuevo estándar de tiempo basado en las frecuencias ópticas que absorben otros átomos, como el iterbio. Las señales súper estables también podrían producirsistemas de comunicaciones inalámbricas más confiables.
Las señales electrónicas derivadas ópticamente podrían hacer que los sistemas de imágenes sean más sensibles. La sensibilidad del radar, particularmente para los objetos de movimiento lento, ahora está limitada por el ruido de microondas y podría mejorarse enormemente. Nuevos fotodiodos, producidos en colaboración entre el NIST y la Universidad de Virginia,Convierta las señales ópticas en señales de microondas de manera más predecible y con menos ruido que los diseños anteriores. Además, las microondas podrían transportar señales de relojes ópticos distantes para aplicaciones en navegación e investigación física fundamental.
Las imágenes astronómicas y la geodesia relativista, que mide la forma gravitacional de la Tierra, ahora se basan en detectar señales de microondas en receptores de todo el mundo y combinarlas para formar imágenes de objetos. La calibración remota de estos receptores podría permitir mover la red desdeTierra en el espacio, lo que mejoraría la resolución de la imagen y evitaría distorsiones atmosféricas que limitan el tiempo de observación. Con horas de tiempo de observación en lugar de segundos, los investigadores podrían obtener imágenes de muchos más objetos.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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