Mini værktøjskasse til målinger:Nye NIST -chip hints om fremtidens kvantesensorer

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har skabt en chip, hvor laserlys interagerer med en lille sky af atomer for at fungere som en miniatureværktøjskasse til måling af vigtige mængder, såsom længde med kvantepræcision. Designet kunne masseproduceres med eksisterende teknologi.

Som beskrevet i Optica , NISTs prototype -chip blev brugt til at generere infrarødt lys ved en bølgelængde på 780 nanometer, præcis nok til at blive brugt som en længdereference til kalibrering af andre instrumenter. NIST -chippen pakker atomskyen og strukturer til at lede lysbølger ned på mindre end 1 kvadratcentimeter, omkring en ti-tusindedel af mængden af ​​andre kompakte enheder, der tilbyder lignende målepræcision.

"Sammenlignet med andre enheder, der bruger chips til at lede lysbølger til at undersøge atomer, vores chip øger målepræcisionen hundrede gange, "NIST -fysiker Matt Hummon sagde." Vores chip er i øjeblikket afhængig af et lille eksternt laser- og optikbord, men i fremtidige designs, vi håber at få sat alt på chippen. "

Mange enheder bruger lys til at undersøge atomernes kvantetilstande i en damp, der er begrænset i en lille celle. Atomer kan være meget følsomme over for ydre forhold, og derfor, lave fantastiske detektorer. Enheder baseret på lette interaktioner med atomdampe kan måle mængder som tid, længde og magnetfelter og har applikationer i navigation, kommunikation, medicin og andre områder. Sådanne anordninger skal generelt samles i hånden.

Den nye NIST -chip transporterer lys fra den eksterne laser gennem en ny bølgeleder og gitterstruktur for at udvide strålediameteren til at undersøge omkring 100 millioner atomer, indtil de skifter fra et energiniveau til et andet. For at bestemme laserlysfrekvensen eller bølgelængden, atomerne vil absorbere for at gennemgå denne energiovergang, systemet bruger en fotodetektor til at identificere lasertuning, hvor kun omkring halvdelen af ​​lyset passerer gennem dampcellen.

Demonstrationen brugte en gas af rubidiumatomer, men chippen kunne arbejde med en lang række atom- og molekylære dampe til at generere specifikke frekvenser på tværs af hele det synlige lysspektrum og nogle af det infrarøde bånd. Når laseren er korrekt indstillet, nogle af det originale laserlys kan siphones fra som output til brug som en referencestandard.

NIST -chippen kan bruges, for eksempel, at kalibrere længdemåleinstrumenter. Den internationale længdestandard er baseret på lysets hastighed, ækvivalent med lysets bølgelængde ganget med dets frekvens.

Men endnu vigtigere, den nye chip viser, at lasere og atomdampceller potentielt kan masseproduceres sammen som halvledere, ved hjælp af siliciummaterialer og traditionelle chipfremstillingsteknikker, i stedet for den nuværende manuelle samling af omfangsrig optik og dampceller i blæst glas, NIST -gruppeleder John Kitching sagde. Dette forskud kan gælde for mange NIST -instrumenter, fra atomure til magnetiske sensorer og gasspektrometre.

NIST -chippen er 14 millimeter (ca. 0,55 tommer) lang og 9 mm (ca. 0,35 tommer) bred. Bølgelederne er lavet af siliciumnitrid, som kan håndtere en lang række lysfrekvenser. Dampcellen er mikromaskineret silicium med glasvinduer og ligner dem, der bruges i NISTs atomur og magnetometer i chipskala, også udviklet af Kitchings forskningsgruppe.

Den nye enhed måler frekvensen med en præcision på 1 del fejl på 10 milliarder på 100 sekunder, en ydelse verificeret ved sammenligning med en separat NIST -frekvenskam. Dette præstationsniveau er meget godt til noget så lille, selvom laboratorieinstrumenter i fuld skala er mere præcise, Sagde Kitching.

Forskningen er en del af NIST-on-a-Chip-programmet, rettet mod at lave prototyper til små, billig, laveffekt og let fremstillede måleværktøjer, der er kvantebaserede, og dermed, iboende nøjagtig. Disse værktøjer er beregnet til at kunne bruges stort set overalt, såsom i industrielle omgivelser til kalibrering af instrumenter. Under dette program, NIST-banebrydende teknologier ville blive fremstillet og distribueret af den private sektor.