Molekylært ur kunne i høj grad forbedre smartphonenavigation

MIT-forskere har udviklet det første molekylære ur på en chip, som bruger konstanten, målbar rotation af molekyler - når de udsættes for en bestemt frekvens af elektromagnetisk stråling - for at holde tiden. Chippen kan en dag forbedre nøjagtigheden og ydeevnen af ​​navigation på smartphones og andre forbrugerenheder markant.

Nutidens mest nøjagtige tidtagere er atomure. Disse ure er afhængige af atomernes konstante resonans, når de udsættes for en bestemt frekvens, at måle præcis et sekund. Der er installeret flere sådanne ure i alle GPS-satellitter. Ved at "trilaterere" tidssignaler, der udsendes fra disse satellitter - en teknik som triangulering, der bruger 3-D dimensionelle data til positionering - din smartphone og andre jordmodtagere kan lokalisere deres egen placering.

Men atomure er store og dyre. Din smartphone, derfor, har et meget mindre nøjagtigt internt ur, der er afhængig af tre satellitsignaler til at navigere og stadig kan beregne forkerte placeringer. Fejl kan reduceres med rettelser fra yderligere satellitsignaler, hvis muligt, men dette forringer ydeevnen og hastigheden af ​​din navigation. Når signaler falder eller svækkes – såsom i områder omgivet af signalreflekterende bygninger eller i tunneler – er din telefon primært afhængig af sit ur og et accelerometer til at vurdere din placering og hvor du skal hen.

Forskere fra MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) og Terahertz Integrated Electronics Group har nu bygget et on-chip ur, der eksponerer specifikke molekyler - ikke atomer - for en nøjagtig, ultrahøj frekvens, der får dem til at spinde. Når de molekylære rotationer forårsager maksimal energiabsorption, et periodisk output er clocket - i dette tilfælde, et sekund. Ligesom med atomers resonans, dette spin er pålideligt konstant nok til at det kan tjene som en præcis timingreference.

I eksperimenter, det molekylære ur havde i gennemsnit en fejl under 1 mikrosekund i timen, sammenlignelig med miniature atomure og 10, 000 gange mere stabil end krystal-oscillator-ure i smartphones. Fordi uret er fuldt elektronisk og ikke kræver omfangsrigt, strømkrævende komponenter, der bruges til at isolere og excitere atomerne, det er fremstillet til lave omkostninger, komplementær metal-oxid-halvleder (CMOS) integreret kredsløbsteknologi, der bruges til at fremstille alle smartphone-chips.

"Vores vision er, i fremtiden, du behøver ikke bruge en stor del af penge på at få atomure i det meste udstyr. Hellere, du har bare en lille gascelle, som du har fastgjort til hjørnet af en chip i en smartphone, og så kører det hele med atomur-præcision, " siger Ruonan Han, en lektor i EECS og medforfatter til et papir, der beskriver uret, offentliggjort i dag i Naturelektronik .

Det molekylære ur i chipskala kan også bruges til mere effektiv tidsregistrering i operationer, der kræver placeringspræcision, men som involverer lidt eller intet GPS-signal, såsom undervandsregistrering eller slagmarksapplikationer.

Sammen med Han på papiret er:Cheng Wang, en ph.d. elev og førsteforfatter; Xiang Yi, en postdoc; og kandidatstuderende James Mawdsley, Mina Kim, og Zihan Wang, alle fra EECS.

I 1960'erne, videnskabsmænd definerede officielt et sekund som 9, 192, 631, 770 svingninger af stråling, hvilket er den nøjagtige frekvens, det tager for cæsium-133 atomer at skifte fra en lav tilstand til høj excitabilitetstilstand. Fordi den forandring er konstant, den nøjagtige frekvens kan bruges som en pålidelig tidsreference på et sekund. I det væsentlige, hver gang 9, 192, 631, 770 svingninger forekommer, et sekund er gået.

Atomure er systemer, der bruger dette koncept. De fejer et snævert bånd af mikrobølgefrekvenser hen over cæsium-133 atomer, indtil et maksimalt antal af atomerne går over til deres høje tilstande - hvilket betyder, at frekvensen så er på præcis 9, 192, 631, 770 svingninger. Når det sker, systemet ur et sekund. Den tester løbende, at et maksimalt antal af disse atomer er i højenergitilstande og, hvis ikke, justerer frekvensen for at holde styr på sporet. De bedste atomure kommer inden for et sekund efter fejl hvert 1,4 millioner år.

I de seneste år, U.S. Defense Advanced Research Projects Agency har indført atomure i chipskala. Men disse koster omkring $1, 000 stykket - for dyrt til forbrugerenheder. For at formindske skalaen, "vi søgte efter forskellig fysik alle sammen, Han siger. "Vi undersøger ikke atomers opførsel; hellere, vi undersøger molekylers adfærd."

Forskernes chip fungerer på samme måde som et atomur, men er afhængig af måling af rotationen af ​​molekylet carbonylsulfid (OCS), når de udsættes for bestemte frekvenser. Fastgjort til chippen er en gascelle fyldt med OCS. Et kredsløb fejer kontinuerligt frekvenser af elektromagnetiske bølger langs cellen, får molekylerne til at begynde at rotere. En modtager måler energien af ​​disse rotationer og justerer urets udgangsfrekvens i overensstemmelse hermed. Ved en frekvens meget tæt på 231,060983 gigahertz, molekylerne når toprotation og danner en skarp signalrespons. Forskerne delte denne frekvens ned til præcis et sekund, matcher den med den officielle tid fra atomure.

"Systemets output er knyttet til det kendte tal - omkring 231 gigahertz, Han siger. "Du ønsker at korrelere en mængde, der er nyttig for dig, med en mængde, der er fysisk konstant, det ændrer sig ikke. Så bliver din mængde meget stabil."

En vigtig udfordring var at designe en chip, der kan udskyde et 200-gigahertz-signal for at få et molekyle til at rotere. Forbrugerkomponenter kan generelt kun producere et par gigahertz signalstyrke. Forskerne udviklede brugerdefinerede metalstrukturer og andre komponenter, der øger effektiviteten af ​​transistorer, for at forme et lavfrekvent indgangssignal til en højfrekvent elektromagnetisk bølge, mens du bruger så lidt strøm som muligt. Chippen bruger kun 66 milliwatt strøm. Til sammenligning, almindelige smartphonefunktioner – såsom GPS, Trådløst internet, og LED-belysning — kan forbruge hundredvis af milliwatt under brug.

Chipsene kunne bruges til undervandsmåling, hvor GPS-signaler ikke er tilgængelige, siger Han. I disse applikationer, soniske bølger skydes ind i havbunden og vender tilbage til et gitter af undervandssensorer. Inde i hver sensor, et vedhæftet atomur måler signalforsinkelsen for at lokalisere placeringen af, sige, olie under havbunden. Forskernes chip kunne være et lavt strømforbrug og billigt alternativ til atomurene.

Chippen kan også bruges på slagmarken, siger Han. Bomber bliver ofte fjernudløst på slagmarker, så soldater bruger udstyr, der undertrykker alle signaler i området, så bomberne ikke går af. "Soldaterne selv har da ikke GPS-signaler længere, " siger Han. "Det er steder, hvor et nøjagtigt internt ur til lokal navigation bliver helt afgørende."

I øjeblikket, prototypen skal finjusteres, før den er klar til at nå forbrugerenheder. Forskerne har i øjeblikket planer om at formindske uret endnu mere og reducere det gennemsnitlige strømforbrug til et par milliwatt, mens den skærer sin fejlrate med endnu en eller to størrelsesordener.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.