El corazón del reloj atómico en miniatura de próxima generación del NIST, que hace tictac a altas frecuencias 'ópticas', es esta celda de vapor en un chip, se muestra junto a un grano de café para la escala. La celda de vidrio (la ventana cuadrada en el chip) contiene átomos de rubidio, cuyas vibraciones proporcionan el tictac del reloj. El reloj completo consta de tres chips microfabricados más componentes electrónicos y ópticos de apoyo. Crédito:Hummon / NIST
Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus socios han demostrado un reloj atómico de próxima generación, que hace tictac a altas frecuencias "ópticas", que es mucho más pequeño de lo habitual, hecho de solo tres pequeños chips, además de componentes electrónicos y ópticos de soporte.
Descrito en Optica , el reloj de escala de chip se basa en las vibraciones, o "garrapatas, "de átomos de rubidio confinados en un pequeño recipiente de vidrio, llamada celda de vapor, en un chip. Dos peines de frecuencia en chips actúan como engranajes para vincular los tics ópticos de alta frecuencia de los átomos a un nivel más bajo, Frecuencia de microondas ampliamente utilizada que se puede utilizar en aplicaciones.
El corazón basado en chips del nuevo reloj requiere muy poca energía (solo 275 milivatios) y, con avances tecnológicos adicionales, potencialmente podría hacerse lo suficientemente pequeño como para ser portátil. Los relojes ópticos a escala de chip como este podrían eventualmente reemplazar a los osciladores tradicionales en aplicaciones como sistemas de navegación y redes de telecomunicaciones y servir como relojes de respaldo en los satélites.
"Hicimos un reloj atómico óptico en el que todos los componentes clave están microfabricados y trabajan juntos para producir una salida excepcionalmente estable, "John Kitching, miembro del NIST, dijo." En última instancia, esperamos que este trabajo dé lugar a pequeños relojes de baja potencia que son excepcionalmente estables y que traerán una nueva generación de sincronización precisa a portátiles, dispositivos que funcionan con baterías ".
El reloj fue construido en NIST con la ayuda del Instituto de Tecnología de California (Pasadena, Calif.), Universidad de Stanford (Stanford, Calif.) Y Charles Stark Draper Laboratories (Cambridge, Masa.).
Los relojes atómicos estándar funcionan a frecuencias de microondas, basado en las vibraciones naturales del átomo de cesio, la definición principal del segundo en el mundo. Relojes atómicos ópticos, corriendo a frecuencias más altas, ofrecen mayor precisión porque dividen el tiempo en unidades más pequeñas y tienen un alto "factor de calidad, "que refleja cuánto tiempo pueden marcar los átomos por sí mismos, sin ayuda exterior. Se espera que los relojes ópticos sean la base para una futura redefinición del segundo.
En el reloj atómico a escala de chip original del NIST, los átomos se probaron con una frecuencia de microondas. Las versiones comerciales de este reloj se han convertido en un estándar de la industria para aplicaciones portátiles que requieren una alta estabilidad de sincronización. Pero requieren una calibración inicial y su frecuencia puede variar con el tiempo, resultando en importantes errores de sincronización.
Los relojes ópticos compactos son un posible paso adelante. Hasta ahora, Los relojes ópticos han sido voluminosos y complejos, operado solo como experimentos por instituciones metrológicas y universidades.
Las garrapatas ópticas en el rubidio se han estudiado ampliamente para su uso como patrones de frecuencia y son lo suficientemente precisas como para usarse como patrones de longitud. La celda de vapor de rubidio del NIST y los dos peines de frecuencia están microfabricados de la misma manera que los chips de computadora. Esto significa que podrían respaldar una mayor integración de la electrónica y la óptica y podrían producirse en masa, un camino hacia la viabilidad comercial, relojes ópticos compactos.
El reloj óptico basado en chips de NIST tiene una inestabilidad de 1,7 x 10 13 a las 4, 000 segundos, aproximadamente 100 veces mejor que el reloj de microondas a escala de chip.
El reloj funciona así:los átomos de rubidio marcan a una frecuencia óptica en la banda de terahercios (THz). Este tic-tac se utiliza para estabilizar un láser infrarrojo, llamado reloj láser, que se convierte en una señal de reloj de microondas de gigahercios (GHz) mediante dos peines de frecuencia que actúan como engranajes. Un peine operando a una frecuencia de THz, abarca un rango lo suficientemente amplio como para estabilizarse. El peine THz está sincronizado con un peine de frecuencia GHz, que se utiliza como una regla finamente espaciada bloqueada al láser del reloj. Por lo tanto, el reloj produce una señal eléctrica de microondas en GHz, que se puede medir con dispositivos electrónicos convencionales, que se estabiliza a las vibraciones THz del rubidio.
En el futuro, La estabilidad del reloj basado en chips se puede mejorar con láseres de bajo ruido y su tamaño se puede reducir con una integración óptica y electrónica más sofisticada.
