Hammaddeler dünyadaki en pahalı malzemelerden geliyor ve yeni atom saati elektronik ekipmanda bir "zaman devrimi" mi tetikliyor?
("MIT Technology Review" APP'nin Çince ve İngilizce versiyonu artık çevrimiçi ve yıllık aboneler her hafta teknoloji İngilizcesi dersini canlı yayınlıyor ve ayrıca bir teknoloji İngilizce öğrenme topluluğu da var ~)
Artık akıllı telefonu olan herkes zamanını ve yerini kolayca belirleyebilir. Küresel Konumlandırma Sisteminin (GPS) yayın saati sinyalinin hatası saniyenin on milyonda biri kadar düşüktür. Bu zaman sinyalleri, kesin konumu doğrulamak için bilgi taşır: zaman sinyali neredeyse ışık hızında hareket eder (hızındaki atmosferik kırılmanın neden olabileceği çok küçük değişiklikler hariç) Birden fazla uydudan gelen sinyalleri karşılaştırarak, konumu birkaç metreye kadar doğru bir şekilde konumlandırabiliriz. İçeride. Deprem izleme ve drone teslimi gibi birçok uygulama alanının değişmiş ve geliştirilmiş olması tam da GPS'in doğruluğundan kaynaklanmaktadır.
Ancak, GPS tüm zaman sorunlarını çözemez. GPS sisteminin özü, dünyadaki en doğru zamanlama sistemi olan her uyduda taşınan atomik saattir. Atomik saatler çok kararlı olmasına ve Ulusal Standartlar Laboratuvarı'nın yer atomik saatleri ile düzenli olarak kalibre edilmesine rağmen, kullanıcılara zaman sinyallerini iletme sürecinde kasıtlı veya kasıtsız bazı girişimler, güneş fırtınaları, binalardan yansımalar ve diğer faktörler vardır. Hala birçok başarısızlık olacak.
Peki, bu hassas atom saatinin boyutunu küçültebilir ve cep telefonları gibi GPS alıcılarına yerleştirebilirsek ne olur?
Son zamanlarda, Oxford Üniversitesi'nden Physical Review Letters'da yayınlanan bir araştırma ekibi, N @ C60 (@, karbon kafesinin nitrojen atomları ile sarıldığını gösterir) Cep telefonlarında kullanılan atomik saatler yapabilir, Dahası, atom saati manyetik alandan etkilenmeyebilir.Bu keşif, atom saatini çip üzerine entegre etme amacı için yeni bir kilometre taşına sahiptir. . Başarılı olduktan sonra, bu taşınabilir atom saati, sürücüsüz arabaların GPS navigasyonunu 1 milimetreye kadar hassas hale getirebilir.
Araştırmacılar, yakın gelecekte, şu anda neredeyse tüm elektronik cihazlarda kullanılan kuvars osilatörlerinin yerini alabilecek böyle bir atom saatinin üretilebileceğini umduklarını da ifade ettiler.
Portatif atomik saatler üretmek için kullanılan N @ C60'ın fiyatının gram başına 200 milyon ABD dolarını aşan çok şaşırtıcı olduğunu belirtmekte fayda var.
Şekil | Soldan sağa: osilatör, absorpsiyon verimliliği, ilgili ortam, frekans, detektör, geri besleme sinyali
Atomik saat çalışma mekanizması
Dünyanın en pahalı malzemesi
Neden bu kadar pahalı malzemelerden yapılmıştır? Öncelikle atomik saatlerin prensiplerini anlamamız gerekiyor.
Atom saatinin temel özelliği, yalnızca sabit bir frekansın foton enerjisini emmesi ve çalışma mekanizmasının karmaşık olmamasıdır. Birincisi, elektronik bir osilatörün atomik saat atomlarının enerji seviyelerine çok yakın olan mikrodalga frekansları yaymasıdır. Osilatör doğru frekanstan biraz saparsa, absorpsiyon değişir ve lazer bu değişikliği algılar ve osilatörü telafi etmek ve ayarlamak için lazer sinyalini kullanır. Bu geri bildirim bağlantısı, osilatörün kusurlarını düzeltebilir, böylece osilatör, atomla aynı titreşim frekansını alabilir ve ardından saatin hareketini kontrol edebilir.
Sarkaçlı saatlerin ve saatlerin mekanik mekanizmalarının aksine, atomlar üretim hatalarından veya aşınmadan etkilenmezler. Uygun bir izolasyon ortamında, rezonans frekansı yalnızca fizik yasalarıyla belirlenir. Ancak pratikte, en iyi atom saati için, etkili bir izolasyon elde etmek için tüm odayı kaplaması gerekir ve ticari atomik saatler genellikle bir bavul boyutundadır.
Şekil | Braunschweig, Almanya'daki sezyum atom saati
Ancak bilim adamları hala atomik saatlerin boyutunu küçültme yönünde bir adım atıyorlar. 2004 gibi erken bir tarihte, Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden bilim adamları, atomik saati birkaç milimetre yüksekliğindeki düzeneğe başarıyla sıkıştırdılar. Bu "çip düzeyinde" atom saati artık ticari hale getirildi ve askeri iletişim ve su altı navigasyonu gibi niş alanlarda kullanılıyor.
Ancak bu minyatürleştirme maliyetlidir.
Yüksek üretim maliyetine ek olarak, vakum odasının küçük boyutu nedeniyle, çok sayıda atom vakum odasının duvarlarıyla etkileşime girerek saat frekansında küçük değişikliklere neden olur ve içindeki gaz fazı ısıtıcısının da taşınabilir cihazlardan çok fazla güç tüketmesi gerekir. Dolayısıyla bu "çip seviyesinde" atomik saatin cep telefonlarında kullanılması uzun zaman alacaktır.
Neyse ki, 2008 gibi erken bir tarihte, makalenin yazarları, Oxford Üniversitesi'nden Andrew Briggs ve Arzhang Ardavan bize başka bir çözüm sağladı. Bu, atomları izole etmek için vakum boşluğunu değiştirmek için doğal kafes-fulleren kullanmaktır Bu yöntem, atomlar ve vakum boşluğu duvarı arasındaki etkileşim sorununu iyi bir şekilde çözebilir.
Fullerenler gibi maddeler çok mucizevidir, tek bir karbon elementinden oluşan ve küresel, eliptik veya boru şeklinde bir yapı sergileyen her madde fullerene aittir. Elemental karbonun üçüncü allotropu olan fulleren aynı zamanda elmastan daha nadir olan dünyadaki "en pahalı ikinci" madde olarak kabul edilir. Üç fullerene kaşif, 1996'da Nobel Ödülü'nü de kazandı.
Fulleren yapının en özel özelliği, karbon kafesin iç kısmının bir boşluk yapısı olmasıdır, bu nedenle bazı özel türler (atomlar, iyonlar veya kümeler) iç boşluğa gömülebilir ve bunlardan oluşan fullerenler Aranan Gömülü fulleren.
Gömülü fulleren molekülü, genel kimyasal bağ teorisini görmezden geliyor gibi görünmektedir.Bir atom veya daha küçük bir molekül, çevreleyen ortamın etkisinden uzak durmak için, kabukla birleşmeden fullerene girebilir. Bu şekilde doldurulan atom kafesleri, boş fullerenlere benzer özellikleri hala koruyabilir.
Bu tür gömülü fullerenlerin en ünlüsü şüphesiz bir nitrojen atomu ve bir futbol geneline benzeyen 60 karbon atomlu (C60) bir fullerenden oluşan N @ C60'tır. Azot atomları C60'ta yüzüyor gibi görünüyor, bu nedenle atomik özellikleri iyi korunuyor. Helyum ve neon gibi inert gazlar da C60'a sarılabilir, ancak çok "tembeldirler" ve nitrojen kadar canlı değildirler. Sonuçta, nitrojen bilinen en aktif elementlerden biridir. Aslında, nitrojenin doğru atomik saatler yapmanın anahtarı olduğu da kanıtlanmıştır.
Şekil | Dolu fulleren: 60 karbon atomu (gri), bir nitrojen atomunun (mavi) "hapsolduğu" boş bir fulleren kafesi oluşturur. Bu yapısal düzenleme, nitrojen atomlarının manyetik olarak bozulmasını önleyebilir, böylece kararlı rezonans için atomik saatin temel çekirdeği olarak hareket edebilirler.
Azotun aktivitesi hesaba katıldığında, N @ C60 gibi moleküller genellikle doğal olarak var olamazlar, ancak bu molekülleri sentezlemenin hala bazı yolları vardır. Tıpkı suyu yukarı doğru akmaya zorlamak gibi, nitrojen atomlarını karbon kafesine itmek de termodinamik olarak eğimli değildir, bu nedenle bu yöntemlerin aşırı ortamlarda gerçekleştirilmesi gerekir. Bununla birlikte, molekül oluşturulduktan sonra fulleren kafesi, nitrojen atomlarını izole edebilir ve stabilize edebilir ve sentezlenen ürün toplanıp depolanabilir.
Oxford Üniversitesi'ndeki laboratuvarda, araştırmacılar molekülü oluşturmak için iyon implantasyonu kullandılar. Araştırmacılar fullereni bir vakum odasına koyup buharlaştırmak için ısıttılar Buharlaşmış fulleren bir hedefin yüzeyinde yüzüyor ve ardından C60 filmi bu yüzeyde yavaş yavaş büyüyecek. C60 filminin büyümesi sırasında, nitrojen iyonları filmin yüzeyine yayılacak ve nitrojen atomlarının bir kısmı C60 filmine hapsolacak ve böylece istenen moleküller elde edilecektir. Bununla birlikte, bu yöntemin verimi çok düşüktür: her 10.000 nitrojensiz C60 molekülü için sadece bir N @ C60 molekülü üretilir.
Resim | Sol: Film kalınlığı monitörü, iyon kaynağı, nitrojen (N2) girişi, nitrojen iyonu (N +) ışını, efüzyon odası, ısıtma elemanı; Sağ: bakır hedef, hedef soğutma suyu, vakum odası, gaz fazı fulleren
Hazırlık süreci: Araştırmacılar karbon fullereni bir vakum odasına koyup gaz fazına ısıttılar ve daha sonra C60 fulleren nispeten soğuk bir bakır hedefle karşılaştığında bir film halinde yoğunlaşacak. Cihaz aynı zamanda nitrojen iyonlarını hedefe enjekte eder, böylece iyonlar "karbon kafesine" girebilir.
Ek olarak, N @ C60 ve C60 kimyada neredeyse aynıdır, bu nedenle saflaştırma oldukça zordur. Bununla birlikte, moleküler kütle ve polarize edilebilirlikteki küçük fark nedeniyle, nitrojen atomları içeren karbon fulleren filmi sıyırmak için yüksek basınçlı pompalar kullanılarak yüksek basınçlı sıvı kromatografi (HPLC) teknolojisi uygulanarak ayrılabilecekleri anlamına gelir. Fullerenler nispeten daha hızlı sıyrılabilir, birçok döngüden sonra, az miktarda N @ C60 karışımdan tamamen ayrılabilir.
2004 yılından bu yana, Oxford Üniversitesi araştırma ekibi ilk olarak teknolojiyi geliştirdi ve bu yöntem, ekibin oluşturduğu tasarımcı Carbon Materials şirketi tarafından hala kullanılıyor. Şirket 2014 yılında Oxford Üniversitesinden ayrıldı ve şimdi N @ C60 ve diğer özelleştirilmiş gömülü fullerenleri, yukarıda belirtilen gram başına yaklaşık 200 milyon ABD Doları fiyatla dünya çapındaki araştırma kurumlarına satmaya başladı.
N @ C60 Atomik Saat - Mobil Zamana Yeni Bir Kapı
N @ C60'ın hazırlanmasını ve ayrılmasını anladıktan sonra, N @ C60 atom saati nasıl yapılır?
İlk olarak, araştırmacılar bir osilatörle başladı ve nitrojenin soğurma frekansına yakın bir radyo sinyali üretti. Daha sonra sinyal, N @ C60 molekülleri içeren maddeye (toz veya çözelti olabilir) iletilir.Doğru frekansa ayarlanmış osilatör için, yaydığı sinyal enerjisi absorbe edilir ve bağıl absorpsiyon gücü azalırsa biz Osilatörün hedef frekanstan saptığı bilinebilir. Bu geri bildirim mekanizmasını kullanarak, osilatör tekrar optimum frekans durumuna ayarlanabilir.
Şekil | Çözünmüş fullerenler: çözelti içinde hapsolmuş nitrojen ile saf fullerenler.
Şekil | Parçacık madde: Kurutulmuş azot içeren fulleren, sıradan bir kurum gibi görünür.
Atomik saatin frekansı doğru bir şekilde bilindiğinden, atomik saatin kesin zaman referansı basitçe kararlı osilatörün periyodu hesaplanarak elde edilebilir. Ek olarak, araştırmacı, dedektörün osilatörü izlemek ve düzeltme mekanizmasına geri bildirim sağlamak için nasıl kullanılacağı konusunda da uzmanlaşmıştır. Osilatör doğru frekansa ayarlanmışsa, geri besleme çıkışı 0 olarak düzeltilir ve osilatör doğru frekanstan saparsa, düzeltme sinyalinin işareti araştırmacıya rezonans frekansının hangi ölçümünün saptığını söyleyecektir.
N @ C60 gibi gömülü fullerenler mükemmel referans malzemelerdir. Araştırmacıların 2006 çalışmasında gösterdiği gibi, diğer moleküllerle karşılaştırıldığında, N @ C60, kuantum spin durumları arasında en kesin geçiş frekansına sahip. Malzemenin uyarım radyasyonuna tepkisinin bir grafiğini çizerseniz, N @ C60'ın rezonans frekansında çok dar bir tepe gösterdiğini göreceksiniz.
Bununla birlikte, fulleren kafesi, kap duvarının atomik rezonans frekansını etkilemesini engelleyebilmesine rağmen, manyetik alan fulleren kafesine girebilir ve ilgili frekansı değiştirebilir. Bugünün dünyası, elektrik motorları ve arabalardan dünyanın kendisine kadar kontrolsüz manyetik alanlarla dolu. Bu nedenle, bu manyetik alanların etkisinden başarıyla kaçınmak, kararlı bir atom saati elde etmenin anahtarıdır.
O zamanki araştırmalarında Briggs ve Ardavan, C60 molekülleri için küçük bir statik manyetik alan uygulamanın enerji seviyesini ayarlayabileceğini, böylece manyetik rezonans frekansının etkilerinin iptal edilebileceğini keşfettiler. Bugün, 15N @ C60'ın enerji seviyesinin manyetik alan gürültüsünden etkilenemeyeceğini keşfettiler.Bu keşif, bir atomik saati bir çipe entegre etme amacının gerçekleştirilmesi için büyük önem taşıyor.
Ancak şu anda bu materyali saat prototiplerine entegre etmediler, ancak bu hedefe mümkün olan en kısa sürede ulaşmak için hazırlanıyorlar.
Taşınabilir zamanlayıcılarda bir devrim
Elbette, en çok görmek istediğimiz şey, bir gün tam bir atom saatini bir çipe entegre edebilmemiz. Bu fikir, geleneksel atomik saatlerde kullanılan optik bileşenlere olan ihtiyacı ortadan kaldıran radyo frekansı elektroniğine dayalı olarak gerçekleştirilecektir.
Dahası, bir vakum odası ve yüksek güç tüketimli bir ısıtıcı gerektiren gaz fazlı atomik saatlerin aksine Fullerene tabanlı atomik saatler hafif, verimli ve enerji tasarrufu sağlayacak. Yakında zamanı korumak için neredeyse tüm elektronik cihazlarda kullanılan kuvars osilatörün yerini alabilir.
Tarihsel bir bakış açısıyla, her nesil taşınabilir zamanlayıcı, uygulamalara yeni olanaklar sunar. İlk uygulamaların bu atomik saati hassas frekans sentezleyicisi olarak kullanması muhtemeldir. Örneğin, günümüzün kablosuz iletişiminde, çoklu kanalların tek bir frekans bandında çoklanması, her vericinin belirlenmiş taşıyıcı frekansını sıkı bir şekilde korumasını gerektirir.Bu nedenle, mevcut bazı cep telefonu kulelerinin atomik saatlerle donatılması gerekir. Gelecekte Nesnelerin İnterneti gibi ağların gelişmesiyle, sınırlı spektrum çağına gireceğiz, bu nedenle taşınabilir ve kararlı saatler giderek daha gerekli hale gelecektir.
Aynı nedenle, GPS alıcıları böyle bir yerleşik saatten yararlanacaktır. GPS sinyali taşıma süresi bilgisi bir uydudan geldiğinden, iletim sırasında çok zayıf hale gelir; bu, bir ampulün tüm kıtayı, artı araziyi, binaları, paraziti ve diğer faktörleri ilettikten sonra kalan enerjiye eşdeğerdir , Sinyali zayıflar, Bu nedenle, bu zayıf sinyali izlemek için, sinyal alıcısının kendi özel yayın frekansına doğru bir şekilde kilitlenmesi gerekir.Alıcı bir atom saati ile donatıldığında, frekans referansı daha kararlı hale gelecek ve izleme hızı daha hızlı olacaktır. , Böylece sinyal izlemenin güvenilirliğini büyük ölçüde geliştirir.
Savaş alanı gibi düşmanca bir ortamda, istikrarlı bir referans frekansı daha da önemli hale gelir. Bu ortamda, GPS sinyalleri yüksek verimli sinyal bozuculardan gelen parazitlere son derece duyarlıdır, özellikle gelecekteki savaşlarda bu durum daha yaygın hale gelecektir. Doğru zamanlama bilgisine sahip bir GPS alıcınız varsa, sinyal bozucunun parazit sesini izole edebilir ve gerçek sinyali alabilirsiniz. Uydu ağı kısmen zarar gördüğünde bile, navigasyon sistemi bu alıcının yardımıyla normal şekilde çalışabilir.
Günümüzün GPS alıcıları, konumunu belirlemek için dörtten fazla uydunun sinyallerini de kullanmalıdır, ancak yeterli doğrulukta bir atom saati alıcısı, bir uydunun sürekli sinyalini kullanarak konumu doğrulayabilir. Bu özellik de geliştirilmiştir. Frekans atlamalı iletişim, bistatik radar ve düşman iletişiminin hassas gözetimi gibi askeri savunmadaki uygulamaları. Bu askeri mükemmelliklere dayanarak, birçok ülke bu taşınabilir atom saatine büyük ilgi göstermiştir.
Sonunda, bu taşınabilir atom saati her yönden yeni uygulamalara sahip olabilir. Örneğin, depolar, postaneler ve hatta metrolar, kendi yerel konumlandırma sistemlerini oluşturmak için küçük kablosuz baz istasyonlarını kullanabilir. Paketler, ekipman ve personel izlenebilir ve hiç kimsenin paketi imzalaması veya konumunu takip etmesi gerekmez. Ayrıca insansız araçlar da bundan yararlanabiliyor Cihaz, insansız araçların GPS sinyallerinin olmadığı tünel gibi durumlarla başa çıkmak için çok hassas bir süre tutmasına olanak sağlıyor.
Şimdi, gömülü fulleren açısından, bu malzeme piyasada görünmeye başladı. Merkezi Jacksonville, Florida'da bulunan bir teknoloji şirketi olan LocatorX, Oxford Atomic Clock için bir patent almıştır ve onu ticari kullanım için sürekli olarak geliştirmektedir.
Ancak bu olasılıkları gerçekleştirmek için birçok faktörün karşılanması gerekir. İlk olarak, atomik saatin bağlı olduğu atomik rezonans frekansının kararlılığı optimize edilmelidir. Teknolojiyi rekabetçi kılmak için sıcaklık, manyetik alan ve kimyasal ortam nasıl değişirse değişsin, frekans dalgalanmalarının milyonda bir oranında kontrol edilmesi gerekir. İkincisi minyatürleştirmedir, yani gerekli numuneler, mıknatıslar ve radyo frekansı elektronik bileşenleri çip ölçekli cihazlara entegre edilebilir. Diğeri ise düşük enerji tüketimi sağlamaktır. Son olarak, mevcut miligram çıktıdan ziyade gömülü fullerenlerin büyük ölçekli endüstriyel üretimini gerçekleştirmek gerekiyor.
Küçük atom saatlerini günlük ekipmana tam olarak dahil etmek için, birçok farklı bilim ve mühendislik alanlarının gelişimini de sınırlara kadar zorlamamız gerekiyor. Ve buna karşılık gelen getiri çok büyük ve olacak. Çekirdeğinde fullerenes bulunan bir atom saatinin hayatımızda görüneceği günü sabırsızlıkla bekliyoruz.
