VTT kehittää Oxfordin yliopiston kanssa uuden sukupolven atomikelloa

VTT MIKES kehittää yhteistyössä Oxfordin yliopiston kanssa täysin uudentyyppistä pallohiileen perustuvaa atomikelloa, joka on integroitavissa jopa mikrosirulle. Modernit atomikellot ovat tarkimpia koskaan rakennettuja laitteita. Teknisesti ne ovat hyvin monimutkaisia ja vaikeasti toteutettavissa pieneen kokoon. Tarkkojen kuljetettavien kellojen tarve ja sovellusten määrä ovat kuitenkin koko ajan kasvussa.

Viime vuosina on aktiivisesti etsitty menetelmiä toteuttaa pienikokoisia atomikelloja, koska kompakteilla, tarkoilla ja edullisilla atomikelloilla on lukuisia kaupallisia sovelluksia. Niitä voidaan hyödyntää esimerkiksi seuraavan sukupolven tietoliikenteessä, satelliittipaikannuksen luotettavuuden parantamisessa, merenalaisessa malminetsinnässä, itseohjautuvien autojen paikannuksessa GPS-signaalin katvealueilla sekä tutkajärjestelmissä.

Kello koostuu jaksollisesti värähtelevästä oskillaattorista, värähtelyjä mittaavasta laskurista sekä ajan ilmaisevasta näytöstä. Hyvän tarkkuuden saavuttamiseksi tarvitaan vielä stabiili ja häiriötön referenssi. Tarkimmissa optisissa atomikelloissa referenssinä toimii joukko atomeja tai yksittäinen ioni, jotka värähtelevät tarkasti tietyllä taajuudella. Oskillaattorina on erittäin stabiili kellolaser, joka havainnoi atomin värähtelyt. 

Kelluva atomi

VTT MIKES ja Oxfordin yliopisto kehittävät yhdessä uudentyyppistä ja pienikokoista kiinteän olomuodon kelloa, jossa hyödynnetään luonnon omaa atomiloukkua C60-fullereenimolekyyliä. C60 koostuu 60 hiiliatomista ja on muodoltaan lähes pallo. Kellossa referenssinä toimii pallohiilen muodostaman häkin keskellä "kelluva" atomi. Häkki suojaa atomia ympäristön häiriöiltä, mikä edesauttaa tarkan ja stabiilin kellosignaalin aikaansaamista. Koska kellotransitio eli ns. spinresonanssi on radiotaajuudella, oskillaattorina voidaan käyttää tavallista kideoskillaattoria ja signaali on helposti mitattavissa. Fullereenikello toimii siis ilman tyhjiötä, lasereita ja optisia komponentteja, jolloin se on integroitavissa vaikkapa mikrosirulle. 

Tuoreessa yhteisjulkaisussa on ensimmäistä kertaa osoitettu kellotransition olemassaolo ja epäherkkyys magneettisille häiriöille. Varsinaisen kelloprototyypin toteuttaminen vaatii vielä lisää tutkimustyötä mm. signaali-kohinasuhteen parantamiseksi. 

Tulokset on julkaistu yhdessä fysiikan alan arvostetuimmista lehdistä, Physical Review Letters’issä : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.140801