Κρύσταλλος από την Κίνα υπόσχεται 1000x πιο γρήγορα δίκτυα και απεξάρτηση από το GPS

Σύνοψη

• Κινέζοι ερευνητές ανέπτυξαν έναν φθοριούχο βορικό κρύσταλλο ικανό να μετατρέπει το φως laser σε βαθύ υπεριώδες μήκος κύματος 145.2nm, καταρρίπτοντας το παγκόσμιο ρεκόρ των 150nm.
• Το υλικό αυτό αποτελεί το τεχνικό κλειδί για τη διέγερση του ισοτόπου θορίου-229, καθιστώντας πρακτικά βιώσιμη την κατασκευή των πρώτων πυρηνικών ρολογιών.
• Η μετάβαση από τις ηλεκτρονιακές στις πυρηνικές ταλαντώσεις προσφέρει 1.000 φορές μεγαλύτερη ακρίβεια σε σχέση με τα κορυφαία σημερινά ατομικά ρολόγια.
• Η εφαρμογή της τεχνολογίας θα επιτρέψει σε υποβρύχια, διαστημόπλοια και αεροσκάφη να πλοηγούνται αυτόνομα για μήνες με εκατοστιαία ακρίβεια, παρακάμπτοντας πλήρως τα ευάλωτα δίκτυα GPS.
• Στον τομέα των τηλεπικοινωνιών, ο απόλυτος μικρο-συγχρονισμός των δικτύων οπτικών ινών μέσω πυρηνικών ρολογιών αναμένεται να αυξήσει τη χωρητικότητα και την ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων.

Μια ερευνητική ομάδα από την Κίνα ανέπτυξε έναν καινοτόμο κρύσταλλο που καταρρίπτει τεχνικά εμπόδια δεκαετιών στον τομέα της κβαντικής οπτικής και της μετρολογίας. Σύμφωνα με τα διαθέσιμα επιστημονικά δεδομένα, το νέο υλικό αποτελεί μια ένωση φθοριούχου βορίου η οποία αλληλεπιδρά με το φως σε επίπεδα που δεν είχαν επιτευχθεί μέχρι σήμερα.

Ο νέος φθοριούχος βορικός κρύσταλλος μετατρέπει το φως laser σε βαθύ υπεριώδες μήκος κύματος 145.2 νανομέτρων, καταρρίπτοντας το ρεκόρ των 150nm. Αυτή η ακριβής συχνότητα είναι απολύτως απαραίτητη για τη διέγερση του πυρήνα του θορίου-229, επιτρέποντας τη δημιουργία πυρηνικών ρολογιών 1.000 φορές πιο ακριβών από τα σημερινά ατομικά, χωρίς απώλεια συγχρονισμού.

Τα σημερινά συστήματα παγκόσμιου χρόνου βασίζονται στα ατομικά ρολόγια καισίου και ρουβιδίου, τα οποία μετρούν τον χρόνο μέσω των ταλαντώσεων των ηλεκτρονίων καθώς αυτά μεταπηδούν μεταξύ ενεργειακών σταθμών. Αν και εξαιρετικά ακριβή, τα ηλεκτρόνια επηρεάζονται από εξωτερικές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Τα πυρηνικά ρολόγια, αντίθετα, βασίζονται στις μεταβάσεις στο εσωτερικό του ίδιου του ατομικού πυρήνα. Επειδή ο πυρήνας είναι εξαιρετικά μικρός και συμπαγής, παραμένει απολύτως θωρακισμένος απέναντι σε μαγνητικά πεδία και θερμοκρασιακές διακυμάνσεις.

Το ισότοπο θόριο-229 διαθέτει τη μοναδική ιδιότητα να έχει την ελάχιστη γνωστή ενεργειακή απόσταση μεταξύ της βασικής και της διεγερμένης κατάστασης του πυρήνα του. Παρόλα αυτά, η μετάβαση αυτή απαιτεί βομβαρδισμό με φως laser εξαιρετικά υψηλής συχνότητας, στο φάσμα του βαθιού υπεριώδους φωτός (DUV). Η απουσία ενός οπτικού μέσου ικανού να παράγει με σταθερότητα αυτό το μήκος κύματος καθυστερούσε την ανάπτυξη της τεχνολογίας από τη δεκαετία του 1990. Το κινεζικό επίτευγμα στα 145.2nm καλύπτει ακριβώς αυτό το κατασκευαστικό κενό.

Πλοήγηση μηδενικής απόκλισης χωρίς εξάρτηση από το GPS

Η άμεση και κρισιμότερη εφαρμογή της νέας τεχνολογίας αφορά τα Συστήματα Αδρανειακής Πλοήγησης (Inertial Navigation Systems – INS). Τα σημερινά INS, τα οποία χρησιμοποιούνται σε υποβρύχια, αεροσκάφη και διαστημικά οχήματα, βασίζονται σε εσωτερικά γυροσκόπια και επιταχυνσιόμετρα για τον υπολογισμό της θέσης. Ωστόσο, τα συστήματα αυτά πάσχουν από «μετατόπιση»με την πάροδο του χρόνου, απαιτώντας συχνή επαναβαθμονόμηση μέσω δορυφορικών σημάτων GPS.

Όταν ένα υποβρύχιο βρίσκεται σε μεγάλο βάθος, στερείται επαφής με το δορυφορικό δίκτυο. Με την ενσωμάτωση ενός πυρηνικού ρολογιού, το οποίο εγγυάται σταθερότητα συγχρονισμού υψηλότερη κατά τρεις τάξεις μεγέθους, το σφάλμα πλοήγησης εκμηδενίζεται. Το όχημα μπορεί να λειτουργεί αυτόνομα για μήνες κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας διατηρώντας εκατοστιαία ακρίβεια στίγματος.

Στο σύγχρονο γεωπολιτικό περιβάλλον, τα σήματα GNSS/GPS δέχονται συχνά παρεμβολές (jamming) ή σκόπιμη παραποίηση (spoofing). Η δυνατότητα πλοήγησης με απόλυτη ακρίβεια, αποκλειστικά μέσω εσωτερικών συστημάτων χρονισμού, καθιστά πλατφόρμες όπως οι υπερηχητικοί πύραυλοι και τα αυτόνομα drones εντελώς άτρωτα σε μεθόδους ηλεκτρονικού πολέμου.

Οπτικά δίκτυα υπερυψηλής χωρητικότητας

Πέραν των στρατιωτικών και διαστημικών εφαρμογών, η λειτουργία των σύγχρονων τηλεπικοινωνιών βασίζεται καθοριστικά στην ακρίβεια του χρόνου. Ο συγχρονισμός φάσης στα δίκτυα οπτικών ινών και τις υποδομές 5G/6G διέπεται από πρωτόκολλα όπως το PTP (Precision Time Protocol).

Σε ένα περιβάλλον ψηφιακής μετάδοσης, τα πακέτα δεδομένων αποστέλλονται σε αυστηρά προκαθορισμένα χρονικά «παράθυρα». Εάν τα ρολόγια στους κόμβους μεταγωγής του δικτύου παρουσιάσουν ακόμα και ελάχιστη απόκλιση, δημιουργούνται συγκρούσεις πακέτων, απαιτώντας επανεκπομπή δεδομένων και αυξάνοντας την καθυστέρηση.

Η εφαρμογή πυρηνικών ρολογιών θορίου στους κεντρικούς κόμβους κορμού του Internet εξασφαλίζει έναν αλάνθαστο παγκόσμιο χρονισμό. Η θεωρητική αύξηση της ακρίβειας κατά 1.000 φορές επιτρέπει τον διαχωρισμό του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε εξαιρετικά πυκνότερα και μικρότερα χρονικά μικρο-διαστήματα. Ουσιαστικά, η ίδια οπτική ίνα μπορεί να διαχειριστεί πολλαπλάσιο όγκο δεδομένων ταυτόχρονα, ανοίγοντας τον δρόμο για τηλεπικοινωνιακά δίκτυα υποδομής ικανά να προσφέρουν πολλαπλάσιες ταχύτητες μετάδοσης σε σχέση με τις σημερινές δυνατότητες.