I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i partner hanno dimostrato un metodo sperimentale, orologio atomico di nuova generazione - che ticchetta ad alte frequenze "ottiche" - che è molto più piccolo del solito, fatto di soli tre piccoli chip più l'elettronica e l'ottica di supporto.

Descritto in ottica , l'orologio della scala del chip si basa sulle vibrazioni, o "zecche, " di atomi di rubidio confinati in un minuscolo contenitore di vetro, chiamata cella di vapore, su un chip. Due pettini di frequenza sui chip agiscono come ingranaggi per collegare i tick ottici ad alta frequenza degli atomi a un frequenza delle microonde ampiamente utilizzata che può essere utilizzata nelle applicazioni.

Il cuore del nuovo clock basato su chip richiede pochissima potenza (appena 275 milliwatt) e, con ulteriori progressi tecnologici, potrebbe potenzialmente essere reso abbastanza piccolo da essere tenuto in mano. Gli orologi ottici su scala di chip come questo potrebbero eventualmente sostituire gli oscillatori tradizionali in applicazioni come i sistemi di navigazione e le reti di telecomunicazioni e fungere da orologi di backup sui satelliti.

"Abbiamo realizzato un orologio atomico ottico in cui tutti i componenti chiave sono microfabbricati e lavorano insieme per produrre un output eccezionalmente stabile, "NIST Fellow John Kitching ha detto. "In definitiva, ci aspettiamo che questo lavoro porti a piccoli, orologi a bassa potenza che sono eccezionalmente stabili e porteranno una nuova generazione di tempi precisi su dispositivi portatili, dispositivi a batteria”.

L'orologio è stato costruito al NIST con l'aiuto del California Institute of Technology (Pasadena, California), Università di Stanford (Stanford, California) e Charles Stark Draper Laboratories (Cambridge, Messa.).

Gli orologi atomici standard funzionano alle frequenze delle microonde, basato sulle vibrazioni naturali dell'atomo di cesio, la definizione primaria del mondo del secondo. orologi atomici ottici, in esecuzione a frequenze più alte, offrono una maggiore precisione perché dividono il tempo in unità più piccole e hanno un alto "fattore di qualità, " che riflette per quanto tempo gli atomi possono ticchettare da soli, senza aiuto esterno. Gli orologi ottici dovrebbero essere la base per una futura ridefinizione del secondo.

Nell'originale orologio atomico in scala di chip del NIST, gli atomi sono stati sondati con una frequenza di microonde. Le versioni commerciali di questo orologio sono diventate uno standard industriale per le applicazioni portatili che richiedono un'elevata stabilità di temporizzazione. Ma richiedono una calibrazione iniziale e la loro frequenza può variare nel tempo, con conseguenti errori di temporizzazione significativi.

Gli orologi ottici compatti sono un possibile passo avanti. Fino ad ora, gli orologi ottici sono stati ingombranti e complessi, operati solo come esperimenti da istituzioni metrologiche e università.

Le zecche ottiche in rubidio sono state ampiamente studiate per l'uso come standard di frequenza e sono sufficientemente accurate da essere utilizzate come standard di lunghezza. La cella a vapore di rubidio del NIST e i due pettini di frequenza sono microfabbricati allo stesso modo dei chip per computer. Ciò significa che potrebbero supportare un'ulteriore integrazione di elettronica e ottica e potrebbero essere prodotti in serie, un percorso verso una fattibilità commerciale, orologi ottici compatti.

L'orologio ottico basato su chip del NIST ha un'instabilità di 1,7 x 10 ¹³ alle 4, 000 secondi, circa 100 volte meglio dell'orologio a microonde a scala di chip.

L'orologio funziona così:gli atomi di rubidio ticchettano a una frequenza ottica nella banda dei terahertz (THz). Questo ticchettio viene utilizzato per stabilizzare un laser a infrarossi, chiamato un orologio laser, che viene convertito in un segnale di clock a microonde gigahertz (GHz) da due pettini di frequenza che agiscono come ingranaggi. un pettine, operando ad una frequenza THz, copre una gamma abbastanza ampia da stabilizzarsi. Il pettine THz è sincronizzato con un pettine di frequenza GHz, che viene utilizzato come un righello finemente spaziato bloccato sul laser dell'orologio. L'orologio produce quindi un segnale elettrico a microonde a GHz, che può essere misurato dall'elettronica convenzionale, stabilizzato alle vibrazioni THz del rubidio.

Nel futuro, la stabilità dell'orologio basato su chip può essere migliorata con laser a basso rumore e le sue dimensioni ridotte con un'integrazione ottica ed elettronica più sofisticata.