( "معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقنية مراجعة" في إصدار اللغة الإنجليزية من APP هو الآن على الخط، المستخدم الاشتراك السنوي الإنجليزية تكنولوجيا الفصول الدراسية الحية أسبوعيا والعلوم والتكنولوجيا وكذلك المجتمعات تعلم اللغة الإنجليزية يا ~)

الآن، فإن أي شخص يملك الهاتف الذكي يمكن بسهولة تحديد الوقت والمكان. إشارة الخطأ على مدار الساعة تبث نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لديه ما يصل الى عشرة ثانية المليون. هذه الإشارات التي تحمل معلومات وقت للتأكد من الموقع الدقيق لل: الوقت لنشر إشارة قريبة من سرعة الضوء (بالإضافة إلى تسبب تغيرات صغيرة جدا في الانكسار في الغلاف الجوي سرعته)، عدد وافر من الأقمار الصناعية من خلال المقارنة للإشارة، فإننا سوف تكون قادرة على وضع يمكنها من ضمن عدة أمتار من الخطأ في الداخل. وبسبب دقة GPS، للعديد من التطبيقات مثل رصد الزلازل، مثل طائرات بدون طيار لتقديم التغيير والتطوير.

ومع ذلك، GPS لا يحل كل الوقت. ويتم GPS جوهر النظام على الساعات الذرية التي تحمل لكل قمر صناعي - نظام توقيت الأكثر دقة في العالم. بينما الساعات الذرية هي مستقرة جدا، والمعايرة في كثير من الأحيان العادية الوطني مختبر معايير ساعة ذرية على سطح الأرض، ولكن لأنه خلال فترة انتقال إشارة للمستخدم، وهناك عدد من تدخل غير مقصود أو العواصف الشمسية، وتعكس المباني عوامل أخرى، GPS كثير من حالات الفشل لا تزال تحدث.

لذلك، اذا كنا نستطيع تضييق حجم الدقيق للساعة ذرية، ووضعه في الهواتف المحمولة وغيرها من أجهزة استقبال GPS، والوضع بعد ذلك؟

مؤخرا، قام فريق الأبحاث في دراسة أجرتها جامعة أكسفورد التي نشرت في "استعراض للحروف البدنية" (البدنية استعراض للحروف) أظهر أن استخدام N @ C60 (@ يدل على ذرة النيتروجين ملفوفة الفلورين) يمكن أن تنتج الساعات الذرية لاستخدامها في الهواتف النقالة، هذه ساعة ذرية ولا يمكن أن يتأثر الحقل المغناطيسي للأرض، وهذا الاكتشاف له معلما جديدا لساعة ذرية متكاملة في الشريحة المستهدفة . في حال نجاحها، وتمكن هذه الساعة الذرية المحمولة أيضا سائق سيارة تحديد المواقع والملاحة دقيقة إلى 1 مم.

أعرب الباحثون أيضا عن أمله في أن يتم في المستقبل القريب يمكن أن ينتج عن هذه الساعة الذرية، قد تكون قادرة على استبدال تقريبا جميع الأجهزة الإلكترونية ينبغي أن تستخدم في مذبذب الكوارتز.

ومن الجدير بالذكر أن لصناعة الساعات الذرية المحمولة N @ C60 مقلقة جدا السعر في سعر غرام واحد من أكثر من 200 مليون $.

FIG | من اليسار إلى اليمين: المذبذب، وكفاءة الاستيعاب، وسائل الإعلام المعنية، للكشف عن التردد، إشارة ردود الفعل

آلية ساعة ذرية

معظم المواد باهظة الثمن في العالم

لماذا هو سعر حتى المواد باهظة الثمن تستخدم لبذل؟ نحتاج أولا إلى فهم مبادئ الساعات الذرية.

السمة الرئيسية للامتصاص الذري للطاقة الفوتون هو ثابت فقط تردد، وليست معقدة آلية عملها. الإلكترونات المنبعثة من الذرات الأولى مذبذب ساعة ذرية مستوى الطاقة هي قريبة جدا من ترددات الميكروويف. إذا كان التردد الصحيح مذبذب الانحراف الطفيف، فإن ماصة تغيير، ثم ليزر سيتم الكشف عن هذا التغيير، ويعوض تعديل إشارة المذبذب بواسطة الليزر. يمكن تصحيح العيوب مذبذب رد الفعل، حتى يتسنى للمذبذب الذري الحصول على نفس التردد والاهتزاز، وبالتالي تتحرك على مدار الساعة مراقبة.

الميكانيكية آلية بندول الساعة والساعات مع ذرات مختلفة ليست خاضعة لتأثير الأخطاء تصنيع أو ارتداء. تحت بيئة العزلة المناسبة، يتم تحديد تردد الرنين فقط لقوانين الفيزياء. ومع ذلك، من الناحية العملية، للحصول على أفضل الساعات الذرية، والتي تحتاج لاحتلال الغرفة من أجل تحقيق درجة فعالة من العزلة، في حين أن الساعات الذرية التجارية وعادة ما يكون حجم حقيبة.

خريطة | براونشفايغ، ألمانيا السيزيوم ساعة ذرية

ولكن العلماء لا تزال خطوة في تضييق حجم في الساعات الذرية. وفي أوائل عام 2004، والمعهد الوطني الأمريكي للمعايير والعلماء تقنية نجحت بالفعل في الساعات الذرية ضغطها إلى عنصر ارتفاع بضعة ملليمترات. هذا "مستوى رقاقة" للساعة ذرية الآن تسويقها واستخدامها في الأماكن العامة للبلاغات عسكرية صغيرة والملاحة تحت الماء.

ولكن التكلفة الضخمة لهذا التصغير.

بالإضافة إلى ارتفاع تكلفة التصنيع، وذلك بسبب صغر حجم الغرفة الفراغ مثل أن عددا كبيرا من الذرات وفراغ الغرفة التفاعل الجدار، مما يؤدي إلى وجود اختلافات صغيرة تردد على مدار الساعة، وفيه سخان الغاز قد تستهلك كميات كبيرة من الطاقة في الأجهزة المحمولة. وبالتالي، فإن هذا "مستوى رقاقة" الساعات الذرية تحتاج إلى وقت طويل لتطبيقها على هاتفك.

لحسن الحظ، في وقت مبكر في عام 2008، والمؤلفين الصحيفة، أندرو بريغز وArzhang Ardavan من جامعة أكسفورد سيوفر نوع آخر من الحل بالنسبة لنا، أي استخدام قفص الطبيعي - فراغ الغرفة لذرات الفوليرين عزل بدلا من ذلك، وهذه الطريقة يمكن أن تحل المشكلة من فراغ الغرفة تأثير الجدار ذرة يحدث.

هذه المواد الفوليرين رائعة، أي عنصر واحد تتكون من الكربون ويحمل بنية مادية كروية، البيضاوي أو أنبوبي، تنتمي إلى الفوليرين. ونتيجة لمتآصل الثالث من الكربون عنصري، تعتبر الفلورين أيضا أن يكون "ثاني أغلى في العالم" مادة، هو أكثر نادرة من الماس. ثلاثة مكتشف الفلورين كما حصل على جائزة نوبل في عام 1996.

الفوليرين معظم الممتلكات الخاصة من الفلورين هي بنية تجويف الداخلي، ويمكن أن تكون جزءا لا يتجزأ في بعض أنواع معينة (الذرات أو الأيونات أو مجموعات من الذرات) في تجويف الداخلي، وبالتالي تشكيل الفوليرين هو ودعا الفلورين المضمنة.

يظهر جزيء الفوليرين جزءا لا يتجزأ من تجاهل النظرية العامة للسندات الكيميائية، ذرة أو جزيء صغير قد تدخل الفوليرين الداخلية دون ملزما للقذيفة، مما يؤثر بعيدا عن البيئة المحيطة بها، وهذا ذرات طرق بعد ملء القفص قد تبقى خصائص تشبه الفوليرين فارغة.

هذا الفوليرين جزءا لا يتجزأ من شك في أن معظم N الشهير @ C60، الذي يتكون من ذرة نيتروجين والفوليرين (من C60) وجود 60 ذرة كربون، ويبدو عموما مثل كرة القدم. تظهر ذرة النيتروجين في عائم الدولة C60، وبالتالي تحتفظ خصائص جيدة ذراته. مثل الهيليوم والنيون وغيره من غازات خاملة ويمكن أيضا أن تكون ملفوفة في C60، على الرغم من أنها أيضا "كسول" ليس أداء حية حتى النيتروجين، بعد كل شيء، النيتروجين ولكن العديد من واحد معروف لمعظم العناصر النشطة. مزيد الواقع، يثبت النيتروجين أيضا أن تكون حاسمة لإنتاج الساعات الذرية دقيقة.

FIG | الفلورين شغل: ذرات الكربون 60 (الرمادي) تشكل القفص الفوليرين فارغة، حيث "سجن" مع ذرة النيتروجين (الأزرق). هذا الترتيب الهيكلي يمكن أن يمنع التدخل المغناطيسي التي كتبها ذرة النيتروجين، فإنه يمكن أن يكون بمثابة نواة لالذري صدى أساس مستقر.

وبالنظر إلى النيتروجين النشط، مثل جزيئات N @ C60 عموما لا تحدث بشكل طبيعي، ولكن هناك بعض الطرق يمكن توليفها هذه الجزيئات. إذا أجبر على تدفق شاقة مثل الماء، لتعزيز ذرة النيتروجين في قفص الميل الكربون لا الديناميكا الحرارية، بحيث سيتم تنفيذ هذه الطرق في ظل الظروف القاسية. ومع ذلك، مرة واحدة ويتكون هذا الجزيء، ويمكن عزل قفص الفوليرين استقرار ذرة النيتروجين، والمنتج توليفها يمكن جمعها وتخزينها.

مختبر جامعة أكسفورد، استخدم الباحثون أسلوب زرع الأيونات لإنتاج جزيء. كانت ساخنة الباحثين الفوليرين في فراغ الغرفة المتبخرة مرحلة البخار الفوليرين تطفو على السطح من الهدف، بعد C60 في هذا الفيلم سوف تنمو تدريجيا إلى السطح. C60 خلال النمو الفيلم، وتنبعث أيونات النيتروجين على سطح الفيلم، وبعض من ذرات النيتروجين والتي سيتم القبض على الفيلم C60 رقيقة، وبالتالي الحصول على جزيئات نريد. ومع ذلك، هذه العوائد طريقة منخفضة جدا: كل إنتاج حوالي 10000 خالية من النيتروجين C60 جزيء، فإنه ينتج N @ C60 الجزيء.

FIG | اليسار: الفيلم رصد سمك، مصدر ايون والنيتروجين (N2) مدخل، أيونات النيتروجين (N +) شعاع، والخلايا انصباب، عنصر التدفئة، اليمين: هدف النحاس، تم تبريد الهدف بالماء، فراغ الغرفة، والفلورين مرحلة الغاز

عملية إعداد: كانت ساخنة الباحثون الفوليرين الكربون في فراغ الغرفة إلى مرحلة الغاز، تليها الفوليرين اجه C60 عندما برودة نسبيا النحاس الهدف، وترسب سوف تتكثف. وفي الوقت نفسه، فإن جهاز زرع النيتروجين أيون إلى الهدف، بحيث الأيونات يمكن أن يدخل "الفلورين" في.

المزيد N @ C60 و C60 كيميائيا متطابقة تقريبا، وبالتالي تنقية أمر صعب للغاية. ومع ذلك، لأن هناك اختلافات طفيفة في الكتلة الجزيئية ومعدل الاستقطاب، مما يعني أنه من خلال تطبيق الضغط العالي اللوني السائل (HPLC) تقنيات لفصل عليها باستخدام ارتفاع ضغط مضخة الإفراج الفوليرين فيلم الكربون التي تحتوي على ذرات النيتروجين، الفوليرين أسرع نسبيا يمكن تجريده من، وبعد عدة دورات، سوف تكون قادرة على استكمال عدد قليل من N الماضي @ يفصل C60 من الخليط.

منذ عام 2004، وفريق البحث في جامعة أكسفورد وضعت أول التكنولوجيا، وهذه الطريقة لا يزال فريق لإنشاء مصمم تطبق شركة مواد الكربون. وقد نسج الشركة من عام 2014 من جامعة أكسفورد، يباع الآن إلى المؤسسات البحثية في جميع أنحاء العالم مثل تخصيص جزءا لا يتجزأ N @ C60 الفوليرين لكل غرام السعر المذكور أعلاه هو ثمن حوالي 200 مليون $.

N @ C60 ساعة ذرية - الباب إلى وقت الهاتف الجديد

تعلم إعداد N @ C60 وبعد الانفصال، وكيفية جعل N @ الساعات الذرية C60 أن تفعل؟

أولا، بدأ الباحثون من مذبذب، ويولد راديو قرب إشارة التردد امتصاص النيتروجين. ثم ينقل إشارة إلى مادة تحتوي على N @ C60 جزيء (والذي قد يكون مسحوق أو محلول)، للتكيف مع التردد الصحيح للمذبذب، يمتص الطاقة إشارة التي تنبعث، وإذا استوعبت المتعلقة تخفيض استهلاك الطاقة، فإننا يمكنك معرفة مذبذب قد انحرفت عن التردد الهدف. مع هذه الآلية ردود الفعل، ويمكن أن يكون مذبذب للدولة تردد المثلى المعدلة الطاقة المتجددة.

FIG | الفوليرين حل: النقي حل القبض على النيتروجين الفلورين شكل ذرة.

FIG | الجسيمات: الفلورين بعد المجففة نظرة النيتروجين مثل السخام المشترك.

منذ تردد ساعة ذرية معروفة بدقة، بل هو مجرد مستقر فترات مذبذب يمكن حساب دقيقة الذرية إشارة وقت على مدار الساعة. وبالإضافة إلى ذلك، أتقن الباحثون أيضا آلية لكيفية استخدام كاشف لمراقبة مذبذب وتصحيح ردود الفعل. إذا تم تعيين تردد مذبذب بشكل صحيح، وإخراج تصحيح ردود الفعل من الصفر، في حين إذا كان تردد مذبذب ينحرف عن الحق، ثم علامة إشارة تصحيح إبلاغ المحقق في النهاية وهو نحو الانحراف تقاس من يحدث تردد الرنين.

N @ C60 الفوليرين هو ذلك جزءا لا يتجزأ من المواد المرجعية جيدة جدا. كما قام الباحثون أثبتت في دراسة أجريت عام 2006، مقارنة مع جزيئات أخرى، N @ C60 الانتقال بين الدول الكم تدور مع تردد الأكثر دقة. إذا قمت برسم المواد في استجابة للإشعاع الإثارة في FIG، وسوف تجد أن N @ C60 يظهر ذروة الضيقة في تردد صدى.

ومع ذلك، على الرغم من أن القفص الفوليرين يمكن الوقاية من آثار تردد الرنين الذري للجدار الحاوية، لكنه يمكن أن تمر من خلال مجال مغناطيسي يغير يرتبط بها من تردد الفوليرين القفص. عالم اليوم مليء المجال المغناطيسي غير المنضبط، والمجال المغناطيسي المنبعث من السيارات، السيارة إلى الأرض نفسها سوف، تمكنت ذلك لتجنب تأثير هذه من المجال المغناطيسي، ساعة ذرية هي مفتاح الاستقرار الذي تحقق.

وجدت بريغز وArdavan في وقت الدراسة، لجزيء C60، يتم تطبيق مجال مغناطيسي ثابت إلى مستوى صغير يمكن تعديلها، بحيث تأثير تردد الرنين المغناطيسي يمكن أن يتم إلغاء من بعضها البعض. الآن، 15N @ C60 من مستوى اكتشافهم لا يمكن أن تتأثر الضوضاء المجال المغناطيسي، اكتشاف الساعات الذرية على الهدف لتحقيق التكامل رقاقة أهمية كبرى.

ولكن الآن، لديهم لا لدمج هذه المواد في النموذج على مدار الساعة، لكنها على استعداد لتحقيق هذا الهدف في أقرب وقت ممكن.

ثورة الموقت المحمولة

وبطبيعة الحال، فإننا معظم تريد أن ترى سيكون هناك يوم كامل من الساعات الذرية يمكن أن تكون متكاملة في شريحة واحدة. وبناء على هذا الافتراض يتحقق الجهاز RF الإلكترونيات، والذي يلغي الحاجة من العناصر البصرية التقليدية المستخدمة في ساعة ذرية.

أيضا، بخار الذري خلافا يتطلب فراغ الغرفة الكبيرة وقوة سخان، وسوف تصبح الساعات الذرية على أساس الفوليرين التعاقد، كفاءة والموفرة للطاقة. قريبا قد يكون قادرا على استبدال الكوارتز التذبذب ينبغي أن تستخدم جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبا للحفاظ على الوقت.

من وجهة نظر التاريخ، وقدم كل جيل المحمولة توقيت تطبيق إمكانيات جديدة. ومن المرجح أن استخدام هذا العمل باعتباره دقيقة على مدار الساعة تردد المزج الذري التطبيق المبكر. على سبيل المثال، الاتصالات اللاسلكية اليوم، والمضاعفة قنوات متعددة في نطاق التردد من كل احتياجات الارسال للاحتفاظ تردد الناقل محددة بدقة، والذي هو السبب في بعض برج الخلية الحالية يجب أن يكون السبب تحميل ساعة ذرية. مع تطور المستقبل مثل الشبكات والشبكات الأخرى، سندخل عصر الطيف المحدود، والمحمولة الأمر كذلك، فإن الساعة مستقر يصبح من الضروري على نحو متزايد.

لنفس السبب، نظام تحديد المواقع سوف تستفيد من استقبال مثل ساعة على متن الطائرة. لأن إشارات GPS التي تحمل معلومات الوقت من القمر الصناعي، الذي يصبح أثناء الإرسال ضعيف جدا، وضعف ما يعادل درجة لمبة الضوء من خلال نقل الطاقة المتبقية بعد القارة بأكملها، إلى جانب عوامل مثل التضاريس والمباني، والتدخل، الخ ، اشارة تصبح أضعف، ولذلك، من أجل تتبع إشارة ضعيفة، يجب أن يكون مؤمنا المتلقي إشارة في دقة محددة البث ترددها، وعندما تم تجهيز المتلقي مع ساعة ذرية، ويصبح التردد إشارة أكثر استقرارا، وأسرع تتبع والتي تحسنت كثيرا موثوقية تتبع إشارة أيضا.

 في أرض المعركة مثل بيئة معادية، تردد إشارة مستقرة يصبح أكثر أهمية. في هذه البيئة، نظام تحديد المواقع التشويش على إشارة كفاءة عرضة للتدخل، وخاصة في الحروب المستقبل، فإن الوضع أصبح أكثر شيوعا. إذا كانت المعلومات توقيت دقيق لديه جهاز استقبال GPS، ومن ثم قد تكون معزولة من آلة الضوضاء التدخل للحصول على إشارة حقيقية. وحتى في حالة حيث يتم تدمير شبكة الأقمار الصناعية محليا، قد يعمل نظام الملاحة بشكل صحيح مع المتلقي مساعدة من هذا القبيل.

يجب GPS استقبال الآن استخدام أربعة أو أكثر من إشارات الأقمار الصناعية لتحديد موقعها، ولكن المتلقي ساعة ذرية بدقة كافية لاستخدام إشارة مستمرة من موقف الأقمار الصناعية يمكن تأكيد، وتعزيز هذه الميزة أيضا يتم استخدامه في الدفاع العسكري، مثل تواتر التنقل الاتصالات والرادار الازدواجية والمراقبة الحساسة الاتصالات العدو. وبناء على هذه التفوق العسكري، ان البلاد لديها أكثر على هذه ساعة ذرية المحمولة ولدت اهتماما كبيرا.

في نهاية المطاف، وهذا قد يكون الساعات الذرية المحمولة الجديدة جميع جوانب التطبيق، مثل المستودعات والمكاتب، وحتى المترو يمكن استخدامها لبناء الخاصة الصغيرة المحطة الأساسية الراديو الخاصة بهم من نظام تحديد المواقع المحلية. الطرود، يمكن تتبع المعدات والأفراد، لم تعد بحاجة لأي شخص أن يوقع على حزمة أو توقف لتسجيل موقعه. وبالإضافة إلى ذلك سيارة بدون سائق أيضا فائدة، فإن الجهاز يسمح المركبات غير المأهولة للحفاظ على وقت دقيق جدا للتعامل مع حالات مثل الأنفاق، الخ GPS إشارة غير متوفرة.

الآن، الفوليرين جزءا لا يتجزأ المعنية، وقد بدأت هذه المادة بالفعل في الظهور في السوق. تقع في جاكسونفيل، فلوريدا وقد أذن شركة تكنولوجيا LocatorX أكسفورد ساعة ذرية براءات الاختراع، وكان لا يزال مستمرا لتطويره للاستخدام التجاري.

ومع ذلك، فإن تحقيق هذه الاحتمالات يكون للقاء عدد من العوامل. أولا وقبل كل شيء، لتحسين استقرار الذري تردد على مدار الساعة الرنين يعتمد الذرات. من أجل جعل تكنولوجيا قادرة على المنافسة، بغض النظر عن درجة الحرارة، والمجال المغناطيسي وكيف يمكن للتغيرات البيئة الكيميائية، لا بد من السيطرة على تقلبات تردد ضمن مجموعة من أجزاء في المليون. تلاه سهم التصغير، أي قادرة على عينة المطلوبة، والمغناطيس وتتكامل RF الالكترونيات في الجهاز رقاقة الحجم. وبالاضافة الى ذلك هو تحقيق انخفاض استهلاك الطاقة. وأخيرا، لتحقيق الفوليرين جزءا لا يتجزأ من الإنتاج الصناعي، بدلا من الإنتاج الحالي من مليغرام.

لدمج كامل الأجهزة على مدار الساعة كل يوم نووية صغيرة، ونحن أيضا بحاجة إلى دفع إلى الحد تطوير العديد من مجالات مختلفة من العلوم والهندسة. وهذا أيضا سوف مكافأة المقابلة ستكون كبيرة جدا، ونحن نتطلع إلى اليوم الذي الأساسية الفوليرين من الساعات الذرية لتظهر في حياتنا.