شريحة ضوئية صغيرة قد تجعل نظام تحديد المواقع العالمي دقيقًا حتى السنتيمتر!
تخيل أن تعرف موقعك بدقة تصل إلى السنتيمتر، أو أن تكون لديك قياسات زمنية دقيقة لدرجة أنها تستطيع اكتشاف التغيرات الطفيفة في سطح الأرض. إن تقدمًا في تصغير الساعات الذرية البصرية يقرب هذا المستقبل من الواقع، مع آثار محتملة على كل شيء بدءًا من السيارات ذاتية القيادة إلى مراقبة البراكين.
طور علماء من جامعة بوردو وجامعة تشالمرز للتكنولوجيا تقنية تعتمد على الرقائق قد تساعد في تصغير الساعات الذرية البصرية فائقة الدقة من إعدادات بحجم المختبر إلى مكونات صغيرة بما يكفي لتناسب الأجهزة اليومية.
من الأمتار إلى السنتيمترات
يقول الأستاذ مينغهاو تشي من جامعة بوردو: “تمكن ساعات الذرة اليوم أنظمة GPS بدقة موضعية تصل إلى بضعة أمتار”. ويضيف: “مع ساعة ذرية بصرية، يمكنك تحقيق دقة تصل فقط إلى بضعة سنتيمترات. هذا يحسن استقلالية المركبات وجميع الأنظمة الإلكترونية المعتمدة على تحديد المواقع.”
تتركز ابتكارات الباحثين حول أجهزة تُسمى الميكروكومب – وهي رقائق صغيرة تولد ترددات ضوء متباعدة بشكل متساوي، مشابهة لأسنان المشط. تعمل هذه الرقائق كحلقة وصل حاسمة بين الترددات العالية جدًا المستخدمة في الساعات الذرية البصرية والإشارات الإلكترونية اللازمة لحساب الوقت.
حل تحدي التصغير
بينما تعمل ساعات الذرة الحالية على تشغيل أنظمة GPS وأجهزتنا الرقمية، فإنها عادةً ما تستخدم ترددات الموجات الدقيقة. تقدم ساعات الذرة البصرية الجديدة دقة أكبر بكثير لكنها ظلت محصورة في المختبرات بسبب حجمها وتعقيدها.
تغلب فريق البحث على هذه القيود من خلال اقتران مبتكر للميكروكومب. يقول كاي يي وو، المؤلف الرئيسي للدراسة في جامعة بوردو: “لقد تمكنا من حل المشكلة عن طريق اقتران اثنين من الميكروكومب، حيث تكون مسافات أسنان المشط قريبة ولكن مع انحراف صغير”. يسمح هذا التكوين للنظام بتحويل الإشارات الضوئية الدقيقة إلى ترددات إلكترونية أكثر قابلية للإدارة.
أبعد من الملاحة
تمتد الآثار بعيدًا عن مجرد تحسين دقة نظام GPS. يشير الأستاذ تشي إلى أن الساعة الذرية البصرية ”يمكن أن تكشف عن تغييرات طفيفة في خط العرض على سطح الأرض ويمكن استخدامها لمراقبة النشاط البركاني مثلاً.”
تدمج التكنولوجيا مكونات ضوئية – بما في ذلك الكومبات الترددية والمصادر الذرية والليزر – على رقائق تتراوح أحجامها بين ميكرومتر واحد وملليمترات قليلة. تحتوي شريحة الفريق الضوئية التي تحتوي على 40 مولد ميكروكمب فقط عرضها خمسة ملليمترات.
من المختبر إلى الحياة اليومية
“تتيح تقنية الدمج الضوئي دمج المكونات الضوئية للساعات الذرية البصرية…على رقائق ضوئية صغيرة بأحجام تتراوح بين ميكرومتر وملليمتر، مما يقلل بشكل كبير حجم ووزن النظام”، يوضح وو.
يرى الدكتور فكتور توريس كومباني، أستاذ الفوتونيات في تشالمرز ومؤلف مشارك للدراسة، آثارًا أوسع: “نأمل أن تؤدي التطورات المستقبلية في المواد وتقنيات التصنيع إلى تبسيط التكنولوجيا أكثر فأكثر، مما يقربنا نحو عالم تصبح فيه الدقة الفائقة للوقت سمة قياسية في هواتفنا المحمولة وأجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا.”
المستقبل أمامنا
بينما تمثل هذه الأبحاث خطوة كبيرة للأمام ، لا يزال هناك عمل يتعين القيام به لإنشاء نظام كامل داخل شريحة واحدة. يمكن لهذه التقنية يومًا ما تمكين استخدام الساعات الذرية البصرية داخل الأقمار الصناعية ومحطات البحث النائية والطائرات بدون طيار – تطبيقات غير ممكنة حاليًا باستخدام الأنظمة التقليدية بحجم المختبر.
Nعنوان البحث هو “ميكروكمبات فرعية لساعات ذرِّيّة بصرية متكامِلة” وقد نُشر في مجلة Nature Photonics. يمثل ذلك تعاوناً بين باحثين من جامعة بوردو وجامعة تشالمرز للتكنولوجيا وجامعة الملك سعود.
