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下一代芯片级原子钟的核心已经公开啦!

2019-08-11 点击:1518

  美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家和合作伙伴展示了具有高“光学”频率的实验性下一代原子钟,比典型的原子钟小得多,由三个小芯片和支持电子和光学的芯片组成。

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根据Optica的说法,这种芯片级时钟是基于晶圆上称为“蒸汽单元”的小玻璃容器中的氦原子的振动,或“嘀嗒”。芯片上的两个频率梳,如齿轮,将原子的高频光学刻度线连接到较低的,广泛可用的微波频率。

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这款新时钟的核心芯片只需要很少的能量(仅275 mW),随着技术的进步,它可能变得足够小,无法手动使用。像这样的芯片级光学时钟最终可能取代导航系统和电信网络等应用中的传统振荡器。成为卫星上的备用时钟。 NIST研究员John Kitching说:我们制造了一个光学原子钟,其中所有关键部件都经过微机械加工并协同工作,以产生非常稳定的输出。最终,我们希望这项工作能够产生一个非常稳定,小巧,低功耗的时钟,为便携式电池供电设备带来新一代精密定时技术。

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这个时钟是在加利福尼亚理工学院(Pasadena),斯坦福大学(加利福尼亚州)和Charles Stark Draper实验室(马萨诸塞州剑桥市)的帮助下在NIST建造的。基于氦原子的固有振动,标准原子钟在微波频率下工作。这是世界上秒的主要定义。光学原子钟更频繁,更准确,因为它们将时间分成更小的单位,并具有高“质量因子”,反映原子在没有外界帮助的情况下可以计算多长时间。

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NIST的下一代微型原子钟(在高“光学”频率下干燥)的核心是一个贴在咖啡豆旁边的蒸汽电池。玻璃单元(芯片中的方形窗口)包含锗原子,其振动提供了时钟滴答作响。整个时钟由三个微芯片组成,另外还有支持电子和光学器件。图片:HummonNIST

光学时钟有望成为未来重新定义第二个光学时钟的基础,利用微波频率检测NIST原始芯片级原子钟中的原子。该时钟的商业版已成为需要高时序稳定性的便携式应用的行业标准。但它们需要初始校准,频率会随着时间的推移而漂移,从而导致严重的定时误差。紧凑的光学时钟是一种可能的进步。到目前为止,光学时钟体积庞大且复杂,只能用作计量机构和大学的实验。铷中的光学尺度已作为频率标准进行了广泛研究。它的精度足以作为长度标准。 NIST的氙气蒸汽电池和两个频率梳以与计算机芯片相同的方式进行微机械加工。

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实现商业上可行的紧凑型光学时钟路径。 NIST基于芯片的光学时钟在4000秒时的不稳定性为1.7x10 ^ 13,约为芯片级微波时钟的100倍。时钟的工作方式类似于太赫兹(THz)频段中的原子光学频率。此咔嗒声用于稳定称为时钟激光器的红外激光器,该激光器通过两个频率梳齿(如齿轮)将其转换为千兆赫(GHz)微波时钟信号。

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THz频率的梳子跨越足够宽的范围以稳定自身。 THz梳与GHz频率梳同步,并且GHz频率梳用作锁定到时钟激光器的精细间隔标度。因此,时钟产生GHz微波电子信号(可以用传统的电子仪器测量),其稳定到氦原子的THz振动。将来,基于芯片的时钟的稳定性可以通过低噪声激光器得到改善,并且随着更复杂的光学和电子集成,它们的尺寸将减小。

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