Nykyisten GPS-järjestelmien tarkkuus on vain muutamia metrejä, mutta uusi teknologia voi viedä paikannuksen tarkkuuden senttimetriluokkaan. Purdue Universityn ja Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet sirupohjaisen aaltokampatekniikan, joka voi mullistaa navigoinnin, autonomiset ajoneuvot ja tarkat mittausjärjestelmät.

Ajan ja paikan tarkka määrittäminen perustuu atomikelloihin, joita GPS-satelliitit käyttävät. Nykyiset atomikellot perustuvat mikroaaltotaajuuksiin, mutta paljon tarkemmat optiset atomikellot käyttävät valon taajuuksia. Ongelma on ollut, että nämä laitteet ovat suuria ja monimutkaisia, joten niiden käyttö on ollut rajoitettua.

Tutkijaryhmän kehittämä aaltokampa (optinen taajuuskampa) on pieni sirulle rakennettu laite, joka mahdollistaa optisten atomikellojen miniatyrisoinnin. Tämä voisi tehdä huipputarkan ajanmittauksen saataville jopa matkapuhelimiin ja autoihin.

- Tulevaisuudessa voimme nähdä GPS-järjestelmiä, joissa paikannus on senttimetrin tarkkuudella mahdollista. Tämä hyödyttää erityisesti autonomisia ajoneuvoja ja tarkkoja mittauksia vaativia sovelluksia, kertoo Purdue Universityn professori Minghao Qi.

Aaltokampa koostuu säännöllisesti jakautuneista valon taajuuksista, joita voidaan verrata kammassa oleviin hampaisiin. Se toimii sillan tavoin atomikellon korkean taajuuden optisten signaalien ja tavallisten elektronisten mittausjärjestelmien välillä.

Tutkijat ratkaisivat merkittävän haasteen kehittämällä sirupohjaisen järjestelmän, joka pystyy muuttamaan optisen taajuuden radiotaajuudeksi ilman suurikokoisia optisia komponentteja. Tämä mahdollistaa atomikellojen merkittävän pienentämisen ja käytön esimerkiksi satelliiteissa, kaukokartoituksessa ja jopa kannettavissa laitteissa.

Supertehokkaat GPS-järjestelmät ovat vain yksi monista mahdollisuuksista. Aaltokampatekniikkaa voidaan hyödyntää myös esimerkiksi autonomisissa ajoneuvoissa, joissa tarkka paikannus on kriittistä turvallisuuden ja tehokkuuden kannalta. Seismologiassa ja geotieteissä se voi havaita pieniä muutoksia maanpinnan liikkeissä, ja tähtitieteessä sitä voidaan käyttää eksoplaneettojen etsimiseen ja tähtien liikkeiden seuraamiseen.

Aaltokampa vai taajuuskampa?

Usein termit "aaltokampa" ja "taajuuskampa" sekoitetaan toisiinsa. Taajuuskampa (frequency comb) on yleinen nimitys ilmiölle, jossa taajuudet jakautuvat tasavälein. Aaltokampa (optical frequency comb) viittaa erityisesti valon taajuuksiin, joita käytetään esimerkiksi optisissa atomikelloissa ja spektroskopiassa.

Aaltokampa on siis taajuuskamman erityistapaus, joka keskittyy optiikkaan ja fotoniikkaan. Tässä tutkimuksessa aaltokampa toimii olennaisena osana teknologiaa, joka voi tuoda tuhansia kertoja tarkemman GPS-paikannuksen kaikkien ulottuville.