Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han creado un chip en el que la luz láser interactúa con una pequeña nube de átomos para servir como un juego de herramientas en miniatura para medir cantidades importantes como la longitud con precisión cuántica. El diseño podría producirse en masa con la tecnología existente.

Como se describe en Optica , El chip prototipo de NIST se utilizó para generar luz infrarroja a una longitud de onda de 780 nanómetros, con la suficiente precisión para usarse como referencia de longitud para calibrar otros instrumentos. El chip NIST empaqueta la nube de átomos y las estructuras para guiar las ondas de luz en menos de 1 centímetro cuadrado, aproximadamente una diezmilésima parte del volumen de otros dispositivos compactos que ofrecen una precisión de medición similar.

"En comparación con otros dispositivos que utilizan chips para guiar ondas de luz para sondear átomos, nuestro chip aumenta cien veces la precisión de la medición, ", Dijo el físico del NIST Matt Hummon." Nuestro chip actualmente se basa en una pequeña mesa láser y óptica externa, pero en diseños futuros, esperamos poner todo en el chip ".

Muchos dispositivos usan luz para sondear los estados cuánticos de los átomos en un vapor confinado en una celda pequeña. Los átomos pueden ser muy sensibles a las condiciones externas, y por lo tanto, hacen excelentes detectores. Los dispositivos basados ​​en interacciones de luz con vapores atómicos pueden medir cantidades como el tiempo, longitud y campos magnéticos y tienen aplicaciones en navegación, comunicaciones, medicina y otros campos. Por lo general, estos dispositivos deben ensamblarse a mano.

El nuevo chip NIST transporta la luz del láser externo a través de una guía de ondas novedosa y una estructura de rejilla para expandir el diámetro del haz y sondear alrededor de 100 millones de átomos hasta que cambian de un nivel de energía a otro. Para determinar la frecuencia o longitud de onda de la luz láser que absorberán los átomos para experimentar esta transición de energía, el sistema utiliza un fotodetector para identificar la sintonización del láser en la que solo la mitad de la luz pasa a través de la celda de vapor.

La demostración utilizó un gas de átomos de rubidio, pero el chip podría funcionar con una amplia gama de vapores atómicos y moleculares para generar frecuencias específicas en todo el espectro visible de luz y parte de la banda infrarroja. Una vez que el láser esté correctamente sintonizado, parte de la luz láser original se puede desviar como salida para usarla como estándar de referencia.

Se puede usar el chip NIST, por ejemplo, para calibrar instrumentos de medición de longitud. El estándar internacional de longitud se basa en la velocidad de la luz, equivalente a la longitud de onda de la luz multiplicada por su frecuencia.

Pero mas importante, el nuevo chip muestra que los láseres y las células de vapor atómico podrían producirse en masa juntos como semiconductores, utilizando materiales de silicio y técnicas tradicionales de fabricación de chips, en lugar del ensamblaje manual actual de ópticas voluminosas y celdas de vapor de vidrio soplado, Dijo el líder del grupo NIST, John Kitching. Este avance podría aplicarse a muchos instrumentos del NIST, desde relojes atómicos hasta sensores magnéticos y espectrómetros de gas.

El chip NIST tiene 14 milímetros (aproximadamente 0,55 pulgadas) de largo y 9 mm (aproximadamente 0,35 pulgadas) de ancho. Las guías de ondas están hechas de nitruro de silicio, que puede manejar una amplia gama de frecuencias de luz. La celda de vapor es de silicio micromecanizado con ventanas de vidrio y es similar a las utilizadas en el magnetómetro y reloj atómico a escala de chip del NIST. también desarrollado por el grupo de investigación de Kitching.

El nuevo dispositivo mide la frecuencia con una precisión de 1 parte de error en 10 mil millones a 100 segundos, un rendimiento verificado en comparación con un peine de frecuencia NIST separado. Este nivel de rendimiento es muy bueno para algo tan pequeño, aunque los instrumentos de laboratorio a gran escala son más precisos, Dijo Kitching.

La investigación es parte del programa NIST-on-a-Chip, destinado a la creación de prototipos para pequeños, barato, herramientas de medición de baja potencia y fácil fabricación que se basan en la tecnología cuántica, y por lo tanto, intrínsecamente exacto. Estas herramientas están diseñadas para ser utilizadas prácticamente en cualquier lugar, como en entornos industriales para la calibración de instrumentos. Bajo este programa, Las tecnologías pioneras del NIST serían fabricadas y distribuidas por el sector privado.