世界中の科学者が光クロック信号をレーザーで照射して、地球の周りの暗黒物質を検出しました

自由空間レーザーリンクは、光時計の安定性を損なう

間もなく、光クロック信号を世界規模で自由にレーザー化して送信できるようになります。



オーストラリアの物理学者は、大気を介して周波数情報を送信するために、異常に安定したレーザーリンクを作成する方法を示しました。研究者たちは、レーザー周波数の変動が非常に小さいため、このリンクを数秒間平均化した後、世界で最も正確な光時計からのタイミング信号を完全に送信できると述べています。彼らは、これが大陸間で光周波数を同期させるために衛星を使用するグローバルなタイミングネットワークの見通しを提供すると信じています。

光時計を地球規模で接続するこの機能により、物理学者は一般相対性理論をテストし、暗黒物質を検索し、基本定数の変化を検出できるようになる可能性があります。また、さまざまな高度での重力の時間拡張の影響により、衛星ベースのナビゲーションとタイミングおよび測地調査を改善するために使用することもできます。



光時計の不確かさは、マイクロ波周波数（10 18の約10分の1）でセシウムベースの原子時計の約100分の1になりました。光ファイバーを介して接続された距離を比較すると、周波数は約2000kmに達する可能性があります。 。。しかし、適切な増幅器を備えた専用光ファイバーを敷設するための莫大なコストを考えると、そのような比較を地球規模で行うことは難しいでしょう。一方、衛星ラジオリンクはマイクロ波クロックに適していますが、光タイミングデバイスの場合、その精度は桁違いに不正確です。

リンクの周波数は、接続されている光クロックよりも安定している必要があります。そうしないと、これらのクロックの最高の精度が無駄になります。安定性は、信号を長期間にわたって平均化することで改善できますが、時間は非常に限られています。一部の専門家は、残りの部分をすばやく安定させるために、光クロックが100秒だけ動作すると予想しています。

大気の乱気流



自由空間リンクの開発者にとっての課題は、大気の乱流を克服することです。レーザー経路に沿った屈折率の変動は、光の到着をわずかに加速または遅延させ、位相の不安定性を引き起こします。乱気流により、ビームがターゲットから外れてちらつくこともあります。これにより、ビーム強度が非常に短時間ですが繰り返し減少し、信号が失われると平均化時間が制限されるため、周波数の安定性が制限されます。



これらの問題を克服する方法を実証するために、研究者は屋根にレーザー送信機と受信機を設置しました。次に、1.2km離れた別の屋根の反射板の角から反射されたビームの安定性を測定しました。彼らは、この2.4キロメートルの水平往復は、低軌道で約500キロメートルの地上と衛星の間に確立された接続と同じレベルの乱気流を持っていると言います。

システムの安定性を最大化するために、研究者は「傾斜」ミラーを使用して、ミリ秒未満続く強度低下を捕捉できる光検出器の出力の変動に応じて反射ビームの方向を継続的に調整できます。同時に、彼らは位相ロックループと音響光学変調器を使用して光の周波数を変更しました。

空き容量をお試しください



これは、自由空間での周波数伝送を安定させる最初の試みではありません。オーストラリアのチームとフランスの同僚は1月に、平均40秒で1.6の安定性に達したと報告しました。研究者は昨年の報告書で、平均時間は約30時間後であり、6 x 10-19と比較して良好であると述べました。技術の一端は1.5kmの屋外リンクを使用し、両端には光時計が装備されています

しかし、最新の作業により、安定性が大幅に向上しました。研究者は2週間の実験を行い、位相安定化技術だけが平均1分後に1×10-19のスコア安定性を達成できることを発見しました。また、振幅を安定させることにより、信号損失を減らし、5分後に安定性を約6×10-21に上げることができました。彼らが指摘したように、これはたまたま低軌道の衛星と接触し続ける時間の長さです。

上位3つの原子時計を比較して精度を記録する



彼らは、軌道上の衛星に接続されたときにこれらの数字が何を意味するのかを理解しました。彼らは、距離が長くなるほど信号帯域幅が狭くなり、安定性がわずかに低下することを発見しましたが、システムは最高の光クロックで強力な競争力を維持できます。彼らは、数秒を平均した後、周波数比較は時計自体の不安定性によって制限されるだろうと計算しました。

この技術の実際のテストを実施するために、研究者は現在、地上に0.7mの望遠鏡を構築しており、宇宙機関または民間企業から人工衛星へのアクセスを取得したいと考えています。研究者たちは、非常に深刻なドップラーシフトに対処する必要があると指摘しました。地上局に出入りする衛星の動きにより、入力信号が約10GHzだけ急激に上下します。しかし、研究者たちは、スクエアキロメートルアレイ電波望遠鏡で高精度のマイクロ波オフセットを処理したチームの経験が現在の精度を維持するのに役立つと信じており、ヤンヤンはドップラーシフトに適応できると確信していると述べました。