I ricercatori del MIT hanno sviluppato il primo orologio molecolare su un chip, che usa la costante, rotazione misurabile delle molecole, quando esposte a una certa frequenza di radiazione elettromagnetica, per tenere il tempo. Il chip potrebbe un giorno migliorare significativamente la precisione e le prestazioni della navigazione su smartphone e altri dispositivi consumer.

I segnatempo più precisi di oggi sono gli orologi atomici. Questi orologi si basano sulla risonanza costante degli atomi, quando esposto a una frequenza specifica, per misurare esattamente un secondo. Diversi di questi orologi sono installati in tutti i satelliti GPS. Attraverso la "trilaterazione" dei segnali orari trasmessi da questi satelliti, una tecnica come la triangolazione, che utilizza dati dimensionali 3D per il posizionamento:il tuo smartphone e altri ricevitori di terra possono individuare la propria posizione.

Ma gli orologi atomici sono grandi e costosi. Il tuo smartphone, perciò, ha un orologio interno molto meno accurato che si basa su tre segnali satellitari per navigare e può ancora calcolare posizioni sbagliate. Gli errori possono essere ridotti con correzioni da segnali satellitari aggiuntivi, se disponibile, ma questo degrada le prestazioni e la velocità della tua navigazione. Quando i segnali diminuiscono o si indeboliscono, come nelle aree circondate da edifici che riflettono il segnale o nei tunnel, il telefono si basa principalmente sull'orologio e su un accelerometro per stimare la tua posizione e dove stai andando.

I ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT e del Terahertz Integrated Electronics Group hanno ora costruito un orologio su chip che espone molecole specifiche, non atomi, a un esatto, frequenza ultraelevata che li fa girare. Quando le rotazioni molecolari causano il massimo assorbimento di energia, un'uscita periodica è temporizzata, in questo caso, un secondo. Come con la risonanza degli atomi, questa rotazione è sufficientemente costante da poter fungere da preciso riferimento temporale.

Negli esperimenti, l'orologio molecolare ha calcolato in media un errore inferiore a 1 microsecondo all'ora, paragonabile a orologi atomici in miniatura e 10, 000 volte più stabile degli orologi con oscillatore al cristallo degli smartphone. Perché l'orologio è completamente elettronico e non richiede ingombranti, componenti assetati di potere utilizzati per isolare ed eccitare gli atomi, è prodotto con il basso costo, tecnologia del circuito integrato complementare metallo-ossido-semiconduttore (CMOS) utilizzata per realizzare tutti i chip per smartphone.

"La nostra visione è, nel futuro, non è necessario spendere una grossa fetta di denaro per ottenere orologi atomici nella maggior parte delle apparecchiature. Piuttosto, hai solo una piccola cella a gas che hai attaccato all'angolo di un chip in uno smartphone, e poi il tutto funziona con la precisione di un orologio atomico, "dice Ruonan Han, un professore associato in EECS e coautore di un articolo che descrive l'orologio, pubblicato oggi in Elettronica della natura .

L'orologio molecolare a scala di chip può essere utilizzato anche per un cronometraggio più efficiente in operazioni che richiedono precisione di posizione ma coinvolgono poco o nessun segnale GPS, come il rilevamento subacqueo o le applicazioni sul campo di battaglia.

Insieme a Han sulla carta ci sono:Cheng Wang, un dottorato di ricerca studente e primo autore; Xiang Yi, un postdottorato; e gli studenti laureati James Mawdsley, Mina Kim, e Zihan Wang, tutto da EECS.

Negli anni Sessanta, gli scienziati hanno ufficialmente definito un secondo come 9, 192, 631, 770 oscillazioni di radiazione, che è l'esatta frequenza necessaria agli atomi di cesio-133 per passare da uno stato basso a uno stato di eccitabilità elevato. Perché quel cambiamento è costante, quella frequenza esatta può essere utilizzata come riferimento temporale affidabile di un secondo. Essenzialmente, ogni volta 9, 192, 631, si verificano 770 oscillazioni, è passato un secondo.

Gli orologi atomici sono sistemi che utilizzano questo concetto. Spazzano una banda stretta di frequenze a microonde attraverso gli atomi di cesio-133 fino a quando un numero massimo di atomi passa ai loro stati alti, il che significa che la frequenza è esattamente a 9, 192, 631, 770 oscillazioni. Quando ciò accade, il sistema cronometra un secondo. Verifica continuamente che un numero massimo di quegli atomi si trovi in ​​stati di alta energia e, altrimenti, regola la frequenza per rimanere in pista. I migliori orologi atomici arrivano entro un secondo di errore ogni 1,4 milioni di anni.

Negli ultimi anni, l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa degli Stati Uniti ha introdotto orologi atomici su scala di chip. Ma questi costano circa $ 1, 000 ciascuno:troppo costoso per i dispositivi consumer. Per ridurre la scala, "abbiamo cercato fisica diversa tutti insieme, " Han dice. "Noi non sondare il comportamento degli atomi; piuttosto, sondare il comportamento delle molecole."

Il chip dei ricercatori funziona in modo simile a un orologio atomico ma si basa sulla misurazione della rotazione della molecola di solfuro di carbonile (OCS), quando esposto a determinate frequenze. Attaccata al chip c'è una cella a gas riempita con OCS. Un circuito spazza continuamente le frequenze delle onde elettromagnetiche lungo la cella, facendo in modo che le molecole inizino a ruotare. Un ricevitore misura l'energia di queste rotazioni e regola di conseguenza la frequenza di uscita del clock. Ad una frequenza molto vicina a 231.060983 gigahertz, le molecole raggiungono il picco di rotazione e formano una risposta di segnale tagliente. I ricercatori hanno diviso quella frequenza in un secondo esatto, abbinandolo all'ora ufficiale degli orologi atomici.

"L'output del sistema è collegato a quel numero noto:circa 231 gigahertz, " Dice Han. "Vuoi correlare una quantità che ti è utile con una quantità che è costante fisica, quello non cambia. Quindi la tua quantità diventa molto stabile."

Una sfida chiave è stata la progettazione di un chip in grado di emettere un segnale di 200 gigahertz per far ruotare una molecola. I componenti dei dispositivi consumer in genere possono produrre solo pochi gigahertz di potenza del segnale. I ricercatori hanno sviluppato strutture metalliche personalizzate e altri componenti che aumentano l'efficacia dei transistor, per modellare un segnale di ingresso a bassa frequenza in un'onda elettromagnetica a frequenza più alta, usando la minor potenza possibile. Il chip consuma solo 66 milliwatt di potenza. Per confronto, funzioni comuni degli smartphone, come GPS, Wifi, e illuminazione a LED:possono consumare centinaia di milliwatt durante l'uso.

I chip potrebbero essere utilizzati per il rilevamento subacqueo, dove i segnali GPS non sono disponibili, Han dice. In quelle applicazioni, le onde sonore vengono proiettate nel fondo dell'oceano e ritornano a una griglia di sensori subacquei. All'interno di ogni sensore, un orologio atomico collegato misura il ritardo del segnale per individuare la posizione di, dire, petrolio sotto il fondo dell'oceano. Il chip dei ricercatori potrebbe essere un'alternativa a basso consumo e basso costo agli orologi atomici.

Il chip potrebbe essere utilizzato anche sul campo di battaglia, Han dice. Le bombe vengono spesso attivate a distanza sui campi di battaglia, quindi i soldati usano attrezzature che sopprimono tutti i segnali nell'area in modo che le bombe non esplodano. "I soldati stessi poi non hanno più segnali GPS, "Dice Han. "Quelli sono luoghi in cui un orologio interno accurato per la navigazione locale diventa assolutamente essenziale".

Attualmente, il prototipo ha bisogno di una messa a punto prima che sia pronto per raggiungere i dispositivi consumer. I ricercatori hanno attualmente in programma di ridurre ulteriormente l'orologio e ridurre il consumo energetico medio a pochi milliwatt, riducendo il suo tasso di errore di un altro uno o due ordini di grandezza.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.