Wat zou het mooi zijn om lekker achterover te kunnen hangen en de auto al het stuurwerk te laten doen. Er zijn nu al auto’s met zelfrijdende functies te koop, maar echte autonome wagens mogen nog niet de weg op. Dat heeft voor een belangrijk deel te maken met de kwaliteit van het gps-signaal.
De betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de tijd- en plaatsbepaling is onvoldoende. Maar dat verandert allemaal door een belangrijke technische doorbraak op dit gebied: een optische atoomklok kleiner dan een rijstkorrel die draait op zogenaamde ‘microkamchips’.
Onze mobiele telefoons en gps-systemen geven nu al vrij precieze locatiegegevens door dankzij de ruim 400 atoomklokken die in vele uithoeken van de wereld hun kunstje doen. Atoomklokken werken door de trillingen van atomen te tellen wanneer ze tussen twee energieniveaus schakelen. De meeste maken gebruik van microgolven om deze trillingen op te wekken. Maar wetenschappers zijn druk bezig om uit te vinden of lasers dat nog nauwkeuriger kunnen doen. Deze optische atoomklokken waren tot voor kort nog te groot en ingewikkeld om buiten een laboratorium te gebruiken. Maar dat is nu anders.
Zelfrijdende auto’s
Onderzoekers van Purdue University (VS) en Chalmers University of Technology (Zweden) hebben een techniek ontwikkeld waarmee deze klokken veel kleiner en toegankelijker worden. Het team is ervan overtuigd dat deze kleine optische atoomklokjes grote voordelen gaan opleveren voor navigatie, zelfrijdende voertuigen en het uitvoeren van geologische metingen. “Met de huidige atoomklokken heeft gps een nauwkeurigheid van enkele meters”, zegt professor Minghao Qi van Purdue University. “Met een optische atoomklok kan dat teruggebracht worden tot enkele centimeters of minder. Op deze manier zijn zelfrijdende auto’s veel beter in staat om te navigeren. Ook maakt deze nieuwe techniek het mogelijk om minimale veranderingen in het aardoppervlak te meten, iets wat bijvoorbeeld erg nuttig kan zijn bij het voorspellen van vulkanische activiteit.”
Microkamchips
De nieuwe techniek staat beschreven in de nieuwste editie van het vakblad Nature Photonics en maakt zoals gezegd gebruik van microkamchips. Deze chips werken als een soort liniaal voor lichtgolven: ze produceren een reeks gelijkmatig verdeelde lichtfrequenties. “Zo kunnen we een van deze frequenties koppelen aan een laser, die weer is afgestemd op de trillingen van de atoomklok”, legt Qi uit.
Optische atoomklokken werken met frequenties van honderden terahertz (THz), wat veel te hoog is om rechtstreeks te tellen met elektronische schakelingen. De microkamchips lossen dat probleem op en maken het systeem een stuk compacter. “Onze chips vormen een brug tussen de optische signalen van de atoomklok en de radiofrequenties die nodig zijn om de trillingen te tellen”, zegt professor Victor Torres Company van Chalmers University. “Door hun kleine formaat is het mogelijk om de atoomklok flink te verkleinen zonder in te boeten op de precisie.”
Uitdagingen
Een andere uitdaging was het stabiel houden van het systeem en het precies afstemmen van de microkam op de atoomklok. Onderzoeker Kaiyi Wu van Purdue University vertelt: “Eén microkam was niet genoeg. We gebruiken er twee met een klein verschil in frequentie, ongeveer 20 GHz. Dit signaal is elektronisch meetbaar en maakt het mogelijk de tijdsinformatie van de atoomklok om te zetten naar een beter bruikbare radiofrequentie.”
De nieuwe techniek maakt gebruik van geïntegreerde fotonica – een vakgebied dat zich bezighoudt met de wisselwerking tussen licht (fotonen) en elektronen (elektronica). Er zijn lasercomponenten op de fotonische chips gezet als alternatief voor de grote optische systemen. “Dit maakt het mogelijk om alle onderdelen op kleine chips van enkele millimeters onder te brengen. De frequentiekammen, de atoombronnen en de lasers, alles past erin”, zegt Wu.
Schaalbaar maken
Het doel is om de minuscule optische atoomklokken in de toekomst in grote hoeveelheden te gaan produceren. Zo worden ze betaalbaarder en breder inzetbaar, is het idee. “Hopelijk leiden verdere ontwikkelingen in materialen en productiemethoden ertoe dat deze technologie ooit standaard wordt in onze telefoons en computers”, besluit Victor Torres Company.
