I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno creato un chip su cui la luce laser interagisce con una minuscola nuvola di atomi per fungere da kit di strumenti in miniatura per misurare quantità importanti come la lunghezza con precisione quantistica. Il design potrebbe essere prodotto in serie con la tecnologia esistente.

Come descritto in ottica , Il prototipo di chip del NIST è stato utilizzato per generare luce infrarossa a una lunghezza d'onda di 780 nanometri, sufficientemente preciso da essere utilizzato come riferimento di lunghezza per la calibrazione di altri strumenti. Il chip NIST racchiude la nuvola atomica e le strutture per guidare le onde luminose in meno di 1 centimetro quadrato, circa un decimillesimo del volume di altri dispositivi compatti che offrono una precisione di misura simile.

"Rispetto ad altri dispositivi che utilizzano chip per guidare le onde luminose per sondare gli atomi, il nostro chip centuplica la precisione di misura, "Il fisico del NIST Matt Hummon ha detto. "Il nostro chip attualmente si basa su un piccolo laser esterno e un tavolo ottico, ma nei progetti futuri, speriamo di mettere tutto sul chip".

Molti dispositivi utilizzano la luce per sondare gli stati quantistici degli atomi in un vapore confinato in una piccola cella. Gli atomi possono essere molto sensibili alle condizioni esterne, e quindi, fare rivelatori superbi. I dispositivi basati sulle interazioni della luce con i vapori atomici possono misurare quantità come tempo, lunghezza e campi magnetici e hanno applicazioni nella navigazione, comunicazioni, medicina e altri campi. Tali dispositivi generalmente devono essere assemblati a mano.

Il nuovo chip NIST trasporta la luce dal laser esterno attraverso una nuova guida d'onda e una struttura a reticolo per espandere il diametro del raggio e sondare circa 100 milioni di atomi fino a quando non passano da un livello di energia a un altro. Per determinare la frequenza o la lunghezza d'onda della luce laser che gli atomi assorbiranno per subire questa transizione energetica, il sistema utilizza un fotorilevatore per identificare la sintonizzazione laser alla quale solo circa metà della luce passa attraverso la cella di vapore.

La dimostrazione ha utilizzato un gas di atomi di rubidio, ma il chip potrebbe funzionare con un'ampia gamma di vapori atomici e molecolari per generare frequenze specifiche attraverso l'intero spettro visibile della luce e parte della banda infrarossa. Una volta che il laser è sintonizzato correttamente, parte della luce laser originale può essere sottratta come output da utilizzare come standard di riferimento.

Potrebbe essere utilizzato il chip NIST, Per esempio, per calibrare gli strumenti di misura della lunghezza. Lo standard internazionale di lunghezza si basa sulla velocità della luce, equivalente alla lunghezza d'onda della luce moltiplicata per la sua frequenza.

Ma soprattutto, il nuovo chip mostra che i laser e le celle a vapore atomico potrebbero essere potenzialmente prodotti in serie insieme come semiconduttori, utilizzando materiali in silicio e tecniche tradizionali di produzione di chip, invece dell'attuale montaggio manuale di ottiche ingombranti e celle a vapore in vetro soffiato, Lo ha detto il leader del gruppo del NIST John Kitching. Questo progresso potrebbe applicarsi a molti strumenti NIST, dagli orologi atomici ai sensori magnetici e agli spettrometri a gas.

Il chip NIST è lungo 14 millimetri (circa 0,55 pollici) e largo 9 mm (circa 0,35 pollici). Le guide d'onda sono in nitruro di silicio, in grado di gestire un'ampia gamma di frequenze luminose. La cella a vapore è in silicio microlavorato con finestre di vetro ed è simile a quelle utilizzate nell'orologio atomico e nel magnetometro su scala di chip del NIST, sviluppato anche dal gruppo di ricerca di Kitching.

Il nuovo dispositivo misura la frequenza con una precisione di 1 parte di errore in 10 miliardi a 100 secondi, una prestazione verificata rispetto a un pettine di frequenza NIST separato. Questo livello di prestazioni è molto buono per qualcosa di così piccolo, sebbene gli strumenti di laboratorio a grandezza naturale siano più precisi, Ha detto Kitching.

La ricerca fa parte del programma NIST-on-a-Chip, finalizzato alla realizzazione di prototipi per piccole, poco costoso, strumenti di misura a bassa potenza e di facile fabbricazione basati su quanti, e quindi, intrinsecamente accurato. Questi strumenti sono pensati per essere utilizzabili praticamente ovunque, come negli ambienti industriali per la calibrazione degli strumenti. Sotto questo programma, Le tecnologie pionieristiche del NIST sarebbero prodotte e distribuite dal settore privato.