بهبود فناوری برنده جایزه نوبل، به نام شانه فرکانس، اجازه می‌دهد زمان رسیدن پالس‌های نور با حساسیت بیشتری نسبت به قبل اندازه‌گیری شود – به طور بالقوه باعث بهبود اندازه‌گیری فاصله همراه با برنامه‌هایی مانند زمان‌بندی دقیق و نظارت بر جو می‌شود.
این نوآوری که توسط دانشمندان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) ایجاد شده است، روشی جدید برای استفاده از فناوری شانه فرکانس است که دانشمندان آن را “شانه فرکانس قابل برنامه ریزی با زمان” نامیده اند. تا به حال، لیزرهای فرکانس شانه برای دستیابی به اثرات خود مجبور بودند پالس های نوری با نظم مترونومیک ایجاد کنند، اما تیم NIST نشان داده است که دستکاری در زمان بندی پالس ها می تواند به شانه های فرکانس کمک کند تا اندازه گیری های دقیق را در محدوده وسیع تری از شرایط انجام دهند. .
لورا سینکلر، فیزیکدان پردیس بولدر NIST و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید: «ما اساساً این قانون را برای شانه‌های فرکانس زیر پا گذاشتیم، که آنها را ملزم به استفاده از یک فاصله ثابت بین پالس‌ها برای عملکرد دقیق کرد. “با تغییر روش کنترل شانه های فرکانس، از شر سازش هایی که باید انجام می دادیم خلاص شدیم، بنابراین اکنون می توانیم نتایج بسیار دقیقی دریافت کنیم، حتی اگر سیستم ما فقط نور کمی برای کار داشته باشد.”
کار تیم در دفتر خاطرات شرح داده شده است طبیعت.
اغلب به عنوان یک خط کش برای نور توصیف می شود، شانه فرکانس نوعی لیزر است که نور آن از فرکانس های بسیار مشخصی تشکیل شده است که می توانند دقیقاً اندازه گیری شوند. با نگاهی به طیف لیزر بر روی یک نمایشگر، هر فرکانس مانند یک دندانه روی یک شانه برجسته می شود و به این فناوری نام خود را می دهد. پس از کسب سهم Jan Hall از NIST از جایزه نوبل فیزیک سال 2005، شانه‌های فرکانس در تعدادی از کاربردها از اندازه‌گیری دقیق زمان گرفته تا یافتن سیارات مشابه زمین تا تشخیص گازهای گلخانه‌ای استفاده شده است.
علیرغم بسیاری از کاربردهای فعلی، شانه های فرکانس محدودیت هایی دارند. مقاله این تیم تلاشی برای رسیدگی به برخی از محدودیت‌هایی است که هنگام استفاده از شانه‌های فرکانس برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق در خارج از آزمایشگاه در موقعیت‌های چالش‌برانگیزتر که سیگنال‌ها می‌توانند بسیار ضعیف باشند، ایجاد می‌شود.
مدت کوتاهی پس از اختراع، شانه های فرکانس اندازه گیری فاصله بسیار دقیق را امکان پذیر کردند. تا حدی، این دقت ناشی از طیف گسترده فرکانس های نوری است که توسط شانه ها استفاده می شود. رادار که از امواج رادیویی برای تعیین فاصله استفاده می کند، بسته به عرض پالس سیگنال از سانتی متر تا چندین متر دقیق است. پالس‌های نوری از یک شانه فرکانس بسیار کوتاه‌تر از رادیو هستند، و به طور بالقوه امکان اندازه‌گیری تا نانومتر (nm) یا میلیاردم متر را فراهم می‌کنند – حتی زمانی که آشکارساز کیلومترها از هدف فاصله دارد. استفاده از تکنیک‌های شانه فرکانس در نهایت می‌تواند تشکیل دقیق ماهواره‌ها را برای رصد هماهنگ زمین یا فضا، بهبود GPS و پشتیبانی از دیگر برنامه‌های ناوبری و آب و هوای فوق‌العاده دقیق امکان‌پذیر کند.
اندازه گیری فاصله با استفاده از شانه های فرکانس به دو شانه نیاز دارد که پالس لیزر آنها دقیقاً هماهنگ باشد. پالس های لیزر یک شانه توسط یک جسم دور منعکس می شود، درست همانطور که رادار از امواج رادیویی استفاده می کند و شانه دوم که در دوره تکرار کمی جابجا می شود، زمان بازگشت را با دقت زیادی اندازه گیری می کند.
محدودیتی که با این دقت بالا همراه است، مربوط به میزان نوری است که آشکارساز باید دریافت کند. با توجه به ماهیت طراحی خود، آشکارساز فقط می‌تواند فوتون‌های لیزری را که همزمان با پالس‌های لیزر شانه دوم می‌رسند، ثبت کند. در حال حاضر، به دلیل تغییر جزئی در دوره تکرار، یک دوره نسبتا طولانی “زمان مرده” بین این همپوشانی‌های پالس وجود داشت و هر فوتونی که بین همپوشانی‌ها می‌رسید اطلاعات از دست رفته بود و برای تلاش اندازه‌گیری بی‌فایده بود. این امر دیدن برخی از اهداف را دشوار می کرد.
فیزیکدانان برای آرزوهای خود در این مورد اصطلاحی دارند: آنها می‌خواهند اندازه‌گیری‌هایی را در «حد کوانتومی» انجام دهند، به این معنی که می‌توانند هر فوتون موجودی را که حاوی اطلاعات مفید است، در نظر بگیرند. فوتون‌های شناسایی‌شده بیشتر به معنای توانایی بیشتر برای تشخیص تغییرات سریع در فاصله تا هدف است، هدفی که در دیگر برنامه‌های کاربردی شانه فرکانس وجود دارد. اما با وجود تمام دستاوردهایش تا به امروز، فناوری شانه فرکانس به دور از این محدودیت کوانتومی عمل می کند.
سینکلر می‌گوید: «شانه‌های فرکانس معمولاً برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی مانند فاصله و زمان با دقت بسیار زیاد استفاده می‌شوند، اما اکثر تکنیک‌های اندازه‌گیری بیشتر نور را از دست می‌دهند، ۹۹.۹۹ درصد یا بیشتر». ما در عوض نشان دادیم که با استفاده از این روش کنترل متفاوت، می‌توانید از شر این زباله‌ها خلاص شوید.» این می تواند به معنای افزایش سرعت اندازه گیری، دقت و یا امکان استفاده از یک سیستم بسیار کوچکتر باشد.
نوآوری این تیم شامل توانایی کنترل زمان ضربان شانه دوم است. پیشرفت‌ها در فناوری دیجیتال به شانه دوم اجازه می‌دهد تا روی سیگنال‌های برگشتی قفل شود و زمان مرده ایجاد شده توسط روش نمونه‌گیری قبلی را حذف کند. این اتفاق می افتد با وجود این واقعیت که کنترل کننده باید یک “سوزن در انبار کاه” پیدا کند – پالس ها نسبتا کوتاه هستند و تنها 0.01٪ از زمان مرده بین آنها دوام می آورند. پس از گرفتن اولیه، در صورت حرکت هدف، کنترلر دیجیتال می تواند زمان بندی خروجی را طوری تنظیم کند که پالس های شانه دوم تسریع یا کند شوند. این به پالس ها اجازه می دهد تا مجدداً تنظیم شوند تا پالس های شانه دوم همیشه با پالس هایی که از هدف برمی گردند همپوشانی داشته باشند. این زمان خروجی اصلاح شده دقیقاً دو برابر فاصله تا هدف است و با مشخصه دقیق شانه های فرکانس بازگردانده می شود.
نتیجه این شانه فرکانس قابل برنامه ریزی با زمان، همانطور که تیم آن را می نامد، یک روش تشخیص است که بهترین استفاده را از فوتون های موجود می کند و زمان مرده را حذف می کند.
سینکلر گفت: «ما دریافتیم که می‌توانیم به سرعت برد تا هدف را اندازه‌گیری کنیم، حتی اگر فقط سیگنال ضعیفی داشته باشیم. از آنجایی که هر فوتون بازگشتی شناسایی می شود، ما می توانیم فاصله نزدیک به حد استاندارد کوانتومی را با دقت اندازه گیری کنیم.
در مقایسه با محدوده استاندارد دو شانه، تیم شاهد کاهش 37 دسی بلی در توان دریافتی مورد نیاز بود – به عبارت دیگر، تنها به حدود 0.02٪ از فوتون‌های مورد نیاز قبلی نیاز داشت.
این نوآوری حتی ممکن است اندازه‌گیری‌های سطح نانومتری ماهواره‌های دور را در آینده امکان‌پذیر کند، و این تیم در حال بررسی این است که چگونه شانه فرکانس قابل برنامه‌ریزی با زمان آن می‌تواند برای سایر برنامه‌های کاربردی نظارت بر شانه فرکانس مفید باشد.
منبع داستان: بیانیه مطبوعاتی اصلی از جانب www.nist.gov. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود Scible News.
منابع
امیلی دی. کالدول، لورا اس. سینکلر، ناتان آر. نیوبری، ژان دنیل دشنس. شانه فرکانس قابل برنامه ریزی با زمان و استفاده از آن در محدوده محدود کوانتومی. طبیعت، 2022; DOI: 10.1038/s41586-022-05225-8