Realização de um relógio Rb pulsado e bombeado opticamente com estabilidade de frequência abaixo de $$10^{

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12974 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Apresentamos os desempenhos de estabilidade de frequência de um relógio Rb de célula de vapor baseado na técnica de bombeamento óptico pulsado (POP). O relógio foi desenvolvido no âmbito de uma colaboração entre a INRIM e a Leonardo SpA, com o objetivo de realizar um padrão de frequência POP qualificado para uso espacial. Os resultados aqui relatados foram obtidos com um pacote de física projetado, projetado especificamente para aplicações espaciais, em conjunto com óptica e eletrônica de nível laboratorial. A estabilidade de frequência medida expressa em termos de desvio de Allan é \(1,2\times 10^{-13}\) em 1s e atinge o valor de \(6\times 10^{-16}\) para tempos de integração de 40.000 s (deriva removida). Este é, até onde sabemos, um resultado recorde para um padrão de frequência de célula de vapor. No artigo, mostramos que para obter esse resultado é necessária uma cuidadosa estabilização dos pulsos de microondas e laser.

Devido à sua confiabilidade, compacidade e bom desempenho, os relógios de células de vapor são hoje empregados em uma grande variedade de aplicações científicas e tecnológicas que exigem cronometragem precisa, juntamente com redução de tamanho, peso e consumo de energia (SWaP). É suficiente mencionar que os sistemas globais de navegação por satélite (GNSS), as telecomunicações e a marcação temporal das transacções financeiras dependem todos de sinais precisos de tempo e frequência fornecidos por padrões de frequência atómica que muitas vezes são relógios de células Rb1.

Os relógios Rb comumente usados ​​são dispositivos bombeados por lâmpada: uma lâmpada é usada como fonte óptica para preparação do estado atômico através do processo de bombeamento óptico2. No entanto, desde a sua introdução na física atômica na década de 80, os lasers de diodo têm sido explorados com sucesso em padrões celulares com o objetivo de melhorar o processo de bombeamento óptico. Além disso, devido ao grande número de comprimentos de onda disponíveis, os lasers de diodo permitem o uso de outros átomos, como Cs, e são adequados para implementar novos esquemas de excitação, como captura de população coerente (CPT) (ver por exemplo3,4,5,6 ,7).

Atualmente, a pesquisa sobre relógios de células de vapor bombeados a laser é um campo importante e ativo que abrange aproximadamente duas tendências: por um lado, a miniaturização extrema, visando a realização de relógios em escala de chip. Por outro lado, o desenvolvimento de protótipos de alta estabilidade, com o objetivo de competir com os relógios H-maser em termos de estabilidade de frequência, mas conseguindo menor SwaP.

No primeiro caso, foram demonstrados relógios de células de vapor tão pequenos quanto 1 \(\hbox {cm}^3\) usando uma célula em escala mm8. Se, por um lado, este processo de miniaturização apresenta muitas vantagens (por exemplo, consumo de energia de algumas dezenas de mW, redução de massa e custos de produção), por outro lado a estabilidade a curto prazo é necessariamente limitada a unidades de \(10^{ -10}\) em 1 s pelo tamanho da célula microfabricada e depois pelo número de átomos de metais alcalinos interagindo. Demonstrou-se que relógios atômicos miniaturizados funcionam com sucesso como base de tempo para futuros receptores GNSS9 e para medições sísmicas relacionadas à detecção de terremotos, detecção acústica e exploração de petróleo no fundo do oceano10. Além disso, relógios atômicos miniaturizados são desenvolvidos tendo em vista aplicações futuras em instrumentação móvel e de baixa potência ou em dispositivos portáteis11.

A segunda linha de pesquisa diz respeito ao desenvolvimento de relógios de células de vapor baseados em laser com os mais altos desempenhos de estabilidade. Nesse sentido, diversas técnicas foram idealizadas e estudadas, adotando na maioria dos casos um arranjo celular em escala cm. Essas técnicas incluem abordagem de onda contínua de dupla ressonância12, bombeamento óptico pulsado (POP)13,14,15 e CPT, tanto em regime contínuo6,16 quanto em regime pulsado17,18. Entre eles, o esquema POP garante desempenhos altamente melhorados tanto em relação aos actuais relógios Rb tradicionais como em relação a novas ideias de investigação concorrentes. Após os trabalhos seminais baseados no maser POP Rb19, logo se reconheceu que a detecção óptica da população do estado fundamental permite alcançar os melhores resultados de estabilidade de frequência. Especificamente, vários grupos de pesquisa mediram desvios de Allan na faixa de \(1\times 10^{-13}\) a \(3 \times 10^{-13}\) por 1s de tempo de integração. Além disso, em alguns casos, os desempenhos de médio e longo prazo atingiram a região baixa \(10^{-15}\) por \(10^4\) s de tempo médio13,14,16,20,21.