Au sommet de deux montagnes hawaïennes, le NIST fait preuve d'ultra

Sep 14, 2023

Un chronométrage précis joue un rôle essentiel dans la synchronisation de nombreux systèmes à travers le monde, depuis les réseaux de télécommunications et de réseaux électriques jusqu'à la détection de précision et la recherche scientifique. Traditionnellement, ce processus est réalisé en communiquant avec des satellites utilisant des horloges atomiques. Ces horloges peuvent indiquer l'heure en lisant les fréquences de résonance des atomes de certains éléments tels que le césium et le rubidium.

La prochaine génération de cette technologie, connue sous le nom d’horloge optique, tire parti d’éléments ayant des fréquences de résonance plus élevées, tels que le strontium et l’ytterbium, et nécessite des systèmes laser pour les mesures. Plus important encore, les horloges optiques offrent un niveau de précision de chronométrage beaucoup plus élevé.

Cet article passe en revue un nouveau processus récemment développé par le National Institute of Standards and Technology (NIST) pour synchroniser les horloges optiques sans avoir à sacrifier la fidélité.

L'année dernière, au sommet des montagnes d'Hawaï, une équipe de chercheurs du NIST a mené une expérience de transfert optique de temps dans l'espoir de développer une méthode fiable qui pourrait aider les réseaux d'espace libre à grande échelle à interconnecter les horloges optiques au sol existantes et les futures horloges spatiales. horloges optiques basées sur .

Les chercheurs ont placé un module laser sur le volcan Mauna Loa, pointé vers un réflecteur situé sur le pic Haleakala à Maui. Sur une distance d'environ 150 kilomètres, les scientifiques ont transmis dans les airs un signal horaire extrêmement précis à des niveaux de puissance qui pourraient être compatibles avec les futures missions spatiales.

Les chercheurs suggèrent que ce système pourrait permettre le transfert de temps depuis des stations au sol vers des satellites placés à 36 000 kilomètres au-dessus de la Terre (en orbite géosynchrone), synchronisant efficacement les horloges optiques avec une précision de l'ordre de la femtoseconde (un quadrillionième de seconde). Selon le NIST, cela donnerait une précision environ 10 000 fois supérieure à celle des approches les plus récentes. De plus, leur système peut fonctionner en utilisant uniquement la force minimale du signal de synchronisation sans perdre aucune fidélité, ce qui le rend très robuste pour atténuer les perturbations atmosphériques.

La synchronisation d'instruments sur de grandes distances avec ce type de précision ouvre un trésor de nouvelles possibilités, en particulier dans le domaine de la physique, ouvrant la voie aux scientifiques vers une compréhension plus approfondie de la structure de l'univers. Par exemple, cette méthode peut aider à tester la relativité générale et même donner un aperçu de la composition de la matière noire. En dehors des horloges optiques, la connexion de réseaux de capteurs situés à de grandes distances les uns des autres peut faire progresser l’interférométrie à très longue base (VLBI), qui pourrait être utilisée pour améliorer l’imagerie des trous noirs.

La méthode du NIST pour relier les satellites aux horloges optiques situées aux extrémités opposées du monde pourrait redéfinir la seconde SI en une norme optique en la divisant en morceaux encore plus petits. Ceci est possible grâce à une avancée connue sous le nom de peigne de fréquence.

Un peigne de fréquence est une découverte lauréate du prix Nobel, souvent décrite comme une règle pour la lumière capable de produire des longueurs d'onde très finement séparées, mesurées avec un haut degré de précision. Grâce à cette technologie, les scientifiques peuvent dynamiser avec précision les atomes dans les horloges optiques et traduire les fréquences d'oscillation térahertz en fréquences plus basses.

Pour leur expérience, l’équipe du NIST a développé une version améliorée du peigne de fréquence, baptisée peigne de fréquence programmable dans le temps. Selon Laura Sinclair, physicienne au campus de Boulder du NIST et l'un des auteurs de l'article, cette méthode enfreint la règle des peignes de fréquence, qui exige l'utilisation d'un espacement d'impulsion fixe pour un fonctionnement précis, permettant ainsi aux scientifiques d'obtenir des résultats extrêmement précis. résultats même lorsqu'un système ne dispose que de peu de lumière pour travailler.

Grâce au peigne de fréquence programmable dans le temps, les chercheurs ont pu envoyer le signal du Mauna Loa à Haleakala sur un trajet aller-retour de 300 kilomètres en utilisant seulement 40 microwatts de puissance et juste la force minimale du signal nécessaire à la synchronisation des appareils (connue sous le nom de limite quantique). . Dans cette expérience, le signal a pénétré plus de perturbations atmosphériques qu’il n’en rencontrerait jamais lors d’un éventuel voyage du sol vers une orbite géosynchrone.