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  • El reloj molecular podría mejorar enormemente la navegación de los teléfonos inteligentes

    El chip transmisor de reloj (rosa) conectado a un paquete de placa de circuito. Conectada es una celda de gas de metal (derecha), en el que una señal de 231.061 GHz generada a partir del chip excita la rotación de moléculas de sulfuro de carbonilo. Debido a que la rotación máxima de las moléculas es constante, se puede utilizar como punto de referencia para mantener la hora exacta. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts

    Los investigadores del MIT han desarrollado el primer reloj molecular en un chip, que usa la constante, rotación medible de moléculas, cuando se exponen a una cierta frecuencia de radiación electromagnética, para mantener el tiempo. El chip podría algún día mejorar significativamente la precisión y el rendimiento de la navegación en teléfonos inteligentes y otros dispositivos de consumo.

    Los cronometradores más precisos de la actualidad son los relojes atómicos. Estos relojes se basan en la resonancia constante de los átomos, cuando se expone a una frecuencia específica, para medir exactamente un segundo. Varios de estos relojes están instalados en todos los satélites GPS. Al "trilaterar" las señales de tiempo transmitidas desde estos satélites, una técnica como la triangulación, que utiliza datos tridimensionales para el posicionamiento:su teléfono inteligente y otros receptores terrestres pueden señalar su propia ubicación.

    Pero los relojes atómicos son grandes y caros. Tu teléfono inteligente por lo tanto, tiene un reloj interno mucho menos preciso que se basa en tres señales de satélite para navegar y aún puede calcular ubicaciones incorrectas. Los errores se pueden reducir con correcciones de señales de satélite adicionales, si está disponible, pero esto degrada el rendimiento y la velocidad de su navegación. Cuando las señales caen o se debilitan, como en áreas rodeadas de edificios que reflejan señales o en túneles, su teléfono depende principalmente de su reloj y un acelerómetro para estimar su ubicación y hacia dónde se dirige.

    Investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y del Grupo de Electrónica Integrada de Terahertz han construido un reloj en chip que expone moléculas específicas, no átomos, a una precisión exacta, frecuencia ultra alta que hace que giren. Cuando las rotaciones moleculares provocan la máxima absorción de energía, una salida periódica está sincronizada; en este caso, un segundo. Al igual que con la resonancia de los átomos, este giro es lo suficientemente constante de manera confiable como para que pueda servir como una referencia de tiempo precisa.

    En experimentos, el reloj molecular promedió un error de menos de 1 microsegundo por hora, comparable a los relojes atómicos en miniatura y 10, 000 veces más estable que los relojes de oscilador de cristal de los teléfonos inteligentes. Debido a que el reloj es completamente electrónico y no requiere voluminosos, componentes hambrientos de energía utilizados para aislar y excitar los átomos, está fabricado con el bajo costo, Tecnología de circuito integrado complementario de óxido de metal-semiconductor (CMOS) que se utiliza para fabricar todos los chips de teléfonos inteligentes.

    "Nuestra visión es, en el futuro, no es necesario gastar una gran cantidad de dinero para conseguir relojes atómicos en la mayoría de los equipos. Bastante, solo tiene una pequeña celda de gas que colocó en la esquina de un chip en un teléfono inteligente, y luego todo se ejecuta con una precisión de grado de reloj atómico, "dice Ruonan Han, profesor asociado en EECS y coautor de un artículo que describe el reloj, publicado hoy en Electrónica de la naturaleza .

    El reloj molecular a escala de chip también se puede utilizar para un cronometraje más eficiente en operaciones que requieren precisión de ubicación pero que involucran poca o ninguna señal de GPS. como la detección subacuática o las aplicaciones en el campo de batalla.

    Junto a Han en el periódico están:Cheng Wang, un doctorado estudiante y primer autor; Xiang Yi, un postdoctorado; y estudiantes de posgrado James Mawdsley, Mina Kim, y Zihan Wang, todo de EECS.

    El chip transmisor de reloj (cuadrado marrón) conectado a un paquete de placa de circuito. Conectada es una celda de gas de metal (a la izquierda), en el que una señal de 231.061 GHz generada a partir del chip excita la rotación de moléculas de sulfuro de carbonilo. Cuando las moléculas alcanzan la rotación máxima, forman una respuesta de señal nítida. Esa frecuencia se puede dividir en exactamente un segundo, coincidiendo con la hora oficial de los relojes atómicos, los mejores dispositivos de cronometraje del mundo. Debido a que la rotación máxima de las moléculas es constante, se puede utilizar como punto de referencia para mantener la hora exacta. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts

    En los años 1960, los científicos definieron oficialmente un segundo como 9, 192, 631, 770 oscilaciones de radiación, que es la frecuencia exacta que necesitan los átomos de cesio-133 para cambiar de un estado bajo a un estado alto de excitabilidad. Porque ese cambio es constante, esa frecuencia exacta se puede utilizar como una referencia de tiempo fiable de un segundo. Esencialmente, cada vez 9, 192, 631, Se producen 770 oscilaciones, ha pasado un segundo.

    Los relojes atómicos son sistemas que utilizan ese concepto. Barren una banda estrecha de frecuencias de microondas a través de átomos de cesio-133 hasta que un número máximo de átomos pasan a sus estados altos, lo que significa que la frecuencia es exactamente de 9, 192, 631, 770 oscilaciones. Cuando eso pasa, el sistema cronometra un segundo. Prueba continuamente que un número máximo de esos átomos se encuentran en estados de alta energía y, que no, ajusta la frecuencia para mantener el rumbo. Los mejores relojes atómicos tienen un segundo de error cada 1,4 millones de años.

    En años recientes, La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. ha introducido relojes atómicos a escala de chip. Pero estos cuestan alrededor de $ 1, 000 cada uno:demasiado caro para los dispositivos de consumo. Para encoger la escala, "todos juntos buscamos distintas físicas, "Han dice." No investigamos el comportamiento de los átomos; bastante, investigamos el comportamiento de las moléculas ".

    El chip de los investigadores funciona de manera similar a un reloj atómico, pero se basa en medir la rotación de la molécula de sulfuro de carbonilo (OCS), cuando se expone a ciertas frecuencias. Adjunto al chip hay una celda de gas llena de OCS. Un circuito barre continuamente frecuencias de ondas electromagnéticas a lo largo de la celda, haciendo que las moléculas comiencen a girar. Un receptor mide la energía de estas rotaciones y ajusta la frecuencia de salida del reloj en consecuencia. A una frecuencia muy cercana a 231.060983 gigahercios, las moléculas alcanzan la rotación máxima y forman una respuesta de señal aguda. Los investigadores dividieron esa frecuencia a exactamente un segundo, haciéndolo coincidir con la hora oficial de los relojes atómicos.

    "La salida del sistema está vinculada a ese número conocido, aproximadamente 231 gigahercios, "Dice Han." Quieres correlacionar una cantidad que te sea útil con una cantidad que sea constante física, eso no cambia. Entonces su cantidad se vuelve muy estable ".

    Un desafío clave fue diseñar un chip que pueda disparar una señal de 200 gigahercios para hacer girar una molécula. Los componentes de los dispositivos de consumo generalmente solo pueden producir unos pocos gigahercios de intensidad de señal. Los investigadores desarrollaron estructuras metálicas personalizadas y otros componentes que aumentan la eficacia de los transistores, para dar forma a una señal de entrada de baja frecuencia en una onda electromagnética de alta frecuencia, mientras usa la menor cantidad de energía posible. El chip consume solo 66 milivatios de potencia. Para comparacion, funciones comunes de los teléfonos inteligentes, como GPS, Wifi, e iluminación LED:puede consumir cientos de milivatios durante el uso.

    Los chips podrían usarse para detección submarina, donde las señales de GPS no están disponibles, Han dice. En esas aplicaciones, Las ondas sónicas se disparan al fondo del océano y regresan a una cuadrícula de sensores submarinos. Dentro de cada sensor, un reloj atómico adjunto mide el retraso de la señal para señalar la ubicación de, decir, petróleo bajo el fondo del océano. El chip de los investigadores podría ser una alternativa de bajo consumo y bajo costo a los relojes atómicos.

    El chip también podría usarse en el campo de batalla, Han dice. Las bombas a menudo se activan de forma remota en los campos de batalla, por lo que los soldados usan equipo que suprime todas las señales en el área para que las bombas no estallen. "Los propios soldados ya no tienen señales de GPS, "Dice Han." Esos son lugares en los que un reloj interno preciso para la navegación local se vuelve esencial ".

    En la actualidad, el prototipo necesita algunos ajustes antes de que esté listo para llegar a los dispositivos de consumo. Los investigadores actualmente tienen planes para encoger aún más el reloj y reducir el consumo de energía promedio a unos pocos milivatios. mientras reduce su tasa de error en uno o dos órdenes de magnitud.

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.




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