NIST-teamet demonstrerer hjertet af næste generation af atomur i chipskala

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og partnere har demonstreret en eksperimentel, næste generations atomur – der tikker ved høje "optiske" frekvenser – som er meget mindre end normalt, lavet af kun tre små chips plus understøttende elektronik og optik.

Beskrevet i Optica , uret i chipskala er baseret på vibrationerne, eller "flåter, "af rubidiumatomer indespærret i en lille glasbeholder, kaldet en dampcelle, på en chip. To frekvenskamme på chips fungerer som tandhjul for at forbinde atomernes højfrekvente optiske ticks til en lavere, udbredt mikrobølgefrekvens, der kan bruges i applikationer.

Det chipbaserede hjerte i det nye ur kræver meget lidt strøm (kun 275 milliwatt) og, med yderligere teknologiske fremskridt, potentielt kan gøres lille nok til at blive håndholdt. Chip-skala optiske ure som dette kunne i sidste ende erstatte traditionelle oscillatorer i applikationer som navigationssystemer og telekommunikationsnetværk og tjene som backup ure på satellitter.

"Vi lavede et optisk atomur, hvor alle nøglekomponenter er mikrofabrikerede og arbejder sammen for at producere et usædvanligt stabilt output, " sagde NIST-stipendiat John Kitching. "I sidste ende, vi forventer, at dette arbejde fører til små, laveffekture, der er usædvanligt stabile og vil bringe en ny generation af nøjagtig timing til bærbare, batteridrevne enheder."

Uret blev bygget på NIST med hjælp fra California Institute of Technology (Pasadena, Californien), Stanford University (Stanford, Californien) og Charles Stark Draper Laboratories (Cambridge, Masse.).

Standard atomure fungerer ved mikrobølgefrekvenser, baseret på cæsiumatomets naturlige vibrationer - verdens primære definition af det andet. Optiske atomure, kører ved højere frekvenser, giver større præcision, fordi de opdeler tid i mindre enheder og har en høj "kvalitetsfaktor, "som afspejler, hvor længe atomerne kan tikke af sig selv, uden hjælp udefra. Optiske ure forventes at være grundlaget for en fremtidig redefinering af den anden.

I NISTs originale atomur i chip-skala, atomerne blev sonderet med en mikrobølgefrekvens. Kommercielle versioner af dette ur er blevet en industristandard for bærbare applikationer, der kræver høj timingstabilitet. Men de kræver indledende kalibrering, og deres frekvens kan glide over tid, resulterer i betydelige tidsfejl.

Kompakte optiske ure er et muligt skridt op. Indtil nu, optiske ure har været omfangsrige og komplekse, kun drevet som eksperimenter af metrologiske institutioner og universiteter.

Optiske flåter i rubidium er blevet undersøgt grundigt til brug som frekvensstandarder og er nøjagtige nok til at blive brugt som længdestandarder. NISTs rubidiumdampcelle og de to frekvenskamme er mikrofabrikerede på samme måde som computerchips. Dette betyder, at de kan understøtte yderligere integration af elektronik og optik og kan masseproduceres - en vej mod kommercielt levedygtige, kompakte optiske ure.

NISTs chip-baserede optiske ur har en ustabilitet på 1,7 x 10 ¹³ klokken 4, 000 sekunder - omkring 100 gange bedre end mikrobølgeuret i chipskala.

Uret fungerer således:Rubidium atomernes tikker ved en optisk frekvens i terahertz (THz) båndet. Denne tikkende bruges til at stabilisere en infrarød laser, kaldet en urlaser, som konverteres til et gigahertz (GHz) mikrobølge-ursignal af to frekvenskamme, der fungerer som tandhjul. En kam, opererer ved en THz-frekvens, spænder over et bredt nok område til at stabilisere sig selv. THz-kammen er synkroniseret med en GHz-frekvenskam, som bruges som en fint fordelt lineal låst til urlaseren. Uret producerer således et elektrisk mikrobølgesignal i GHz - som kan måles med konventionel elektronik - som er stabiliseret til rubidiumets THz-vibrationer.

I fremtiden, det chip-baserede urs stabilitet kan forbedres med støjsvage lasere og dets størrelse reduceres med mere sofistikeret optisk og elektronisk integration.