Новий тип мініатюрного атомного годинника може забезпечувати кращий час протягом тижнів і місяців порівняно з поточними системами. Дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) у співпраці з дослідниками з Georgia Tech створили перший у своєму роді проміневий годинник із чіпом. Їхня робота була опублікована в Nature Communications.
Атомні годинники мають різні форми, але найстаріший і один із найвидатніших дизайнів побудований за допомогою атомних променів. Ці годинники посилають пучок атомів через вакуумну камеру. На одному кінці камери атоми переходять у певний квантовий стан і починають «цокати». На іншому кінці вимірюється або «зчитується» швидкість тикання. Використовуючи точну швидкість тикання атомів, інші годинники можна порівняти з атомними променевими годинниками та налаштувати відповідно до їх часу.
NIST використовує атомні промені для вимірювання часу з 1950-х років. Десятиліттями годинники з променем використовувалися для підтримки основного стандарту для секунд, і вони все ще є частиною національного ансамблю хронометражу NIST. Годинники з променем є точними, стабільними та точними, але зараз вони не є найбільш портативними. Вакуумні камери, в яких рухаються атоми, є ключовими для успіху цих годинників, але вони громіздкі частково через розмір мікрохвильової порожнини, яка використовується для зондування атомного «цокання». Вакуумна камера для NIST-7, останнього променевого годинника, який використовувався для основного стандарту частоти в США, була довжиною більше ніж 2,5 метрів або 8 футів.
Менші комерційні годинники розміром приблизно з портфель є звичайними, але вони все одно потребують значної кількості енергії (близько 50 Вт) для роботи. Для порівняння, для звичайної роботи смартфонів потрібно близько третини Вата.
Чип-масштаб атомних годинників (CSAC) були розроблені NIST у 2001 році. Досягнення в техніці мікрофабрикації дозволили NIST створювати парові камери, крихітні камери, де атоми годинника утримуються та вимірюються, розміром із рисове зерно; весь годинник розміром зі шматок суші. Ці годинники споживають дуже мало енергії та можуть працювати від батарейок, щоб забезпечувати час у критичних ситуаціях, коли GPS не може досягти.
CSAC знайшли численні застосування в підводній розвідці нафти та газу, військовій навігації та навіть телекомунікаціях. Однак хронометраж годинника має тенденцію збиватися, коли температура змінюється, а газ, що оточує атоми, погіршується.
«CSAC є малопотужним і має високу продуктивність, враховуючи його розмір. Це чудовий пристрій, але він дрейфує після роботи протягом кількох тисяч секунд», — сказав Вільям МакГіхі, фізик з NIST. «Променевий годинник існує з 1950-х років і є стабільним, але все ще потребує багато енергії. Що, якби ми змогли поєднати найкращі аспекти цих двох систем?»
Використовуючи методи мікрофабрикації, отримані від CSAC, група виготовила атомно-променевий пристрій у масштабі чіпа, використовуючи купу протравлених шарів кремнію та скла. Цей пристрій є дуже мініатюрною версією камер, які використовувалися в атомно-променевих годинниках, таких як NIST-7, і має розмір приблизно з поштову марку.
Технології побудови комірки з атомної пари, розроблені в NIST, і мікрокапілярні масиви з травленням, розроблені в Georgia Tech, були ключовими для зменшення вакуумних камер більших променевих годинників.
У пристрої одна камера містить маленьку пігулку рубідію. Ця камера нагрівається, випускаючи потік атомів рубідію через мікрокапіляри, канали шириною лише 100 мікрометрів. Ці крихітні канали з’єднуються з іншою камерою з матеріалами, які можуть поглинати — або збирати — окремі молекули газу, які називаються невипаровуваними геттерами, або NEG, які тягнуть за собою атоми рубідію та збирають їх, підтримуючи вакуум у мікрокапілярах чистим. Крихітні стрижні графіту також допомагають збирати розсіяні атоми в процесі.
Зараз цей проміневий пристрій у масштабі чіпа є прототипом мініатюрного годинника з атомним променем. Початкові випробування тактового генератора променя в масштабі мікросхеми показали продуктивність на рівні трохи гіршому, ніж в існуючих CSAC, але команда бачить шлях до покращення стабільності. Дослідники сподіваються підвищити свою точність ще в 10 разів і перевищити стабільність існуючих CSAC у 100 разів протягом тижневих часових масштабів. Джерело