MIT-onderzoekers hebben de eerste moleculaire klok op een chip ontwikkeld, die de constante gebruikt, meetbare rotatie van moleculen - wanneer ze worden blootgesteld aan een bepaalde frequentie van elektromagnetische straling - om de tijd bij te houden. De chip zou op een dag de nauwkeurigheid en prestaties van navigatie op smartphones en andere consumentenapparaten aanzienlijk kunnen verbeteren.

De meest nauwkeurige tijdwaarnemers van vandaag zijn atoomklokken. Deze klokken vertrouwen op de constante resonantie van atomen, bij blootstelling aan een bepaalde frequentie, om precies één seconde te meten. In alle GPS-satellieten zijn verschillende van dergelijke klokken geïnstalleerd. Door tijdsignalen die door deze satellieten worden uitgezonden te 'trillereren' - een techniek zoals triangulatie, die 3D-dimensionale gegevens gebruikt voor positionering - uw smartphone en andere grondontvangers kunnen hun eigen locatie bepalen.

Maar atoomklokken zijn groot en duur. Uw smartphone, daarom, heeft een veel minder nauwkeurige interne klok die afhankelijk is van drie satellietsignalen om te navigeren en nog steeds verkeerde locaties kan berekenen. Fouten kunnen worden verminderd met correcties van extra satellietsignalen, indien beschikbaar, maar dit verslechtert de prestaties en snelheid van uw navigatie. Wanneer signalen wegvallen of verzwakken, zoals in gebieden die worden omringd door signaalreflecterende gebouwen of in tunnels, vertrouwt je telefoon voornamelijk op de klok en een versnellingsmeter om je locatie en waar je naartoe gaat te schatten.

Onderzoekers van MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) en Terahertz Integrated Electronics Group hebben nu een on-chip klok gebouwd die specifieke moleculen - geen atomen - blootstelt aan een exacte, ultrahoge frequentie waardoor ze gaan draaien. Wanneer de moleculaire rotaties maximale energieabsorptie veroorzaken, een periodieke output wordt geklokt - in dit geval een seconde. Net als bij de resonantie van atomen, deze spin is betrouwbaar constant genoeg om als nauwkeurige timingreferentie te dienen.

Bij experimenten, de moleculaire klok maakte een gemiddelde fout van minder dan 1 microseconde per uur, vergelijkbaar met miniatuur atoomklokken en 10, 000 keer stabieler dan de kristaloscillatorklokken in smartphones. Omdat de klok volledig elektronisch is en geen omvangrijke, energieverslindende componenten die worden gebruikt om de atomen te isoleren en te prikkelen, het is vervaardigd met de lage kosten, complementaire metaaloxide-halfgeleider (CMOS) geïntegreerde circuittechnologie die wordt gebruikt om alle smartphonechips te maken.

"Onze visie is in de toekomst, je hoeft niet veel geld uit te geven om atoomklokken in de meeste apparatuur te krijgen. Liever, je hebt gewoon een kleine gascel die je op de hoek van een chip in een smartphone hebt bevestigd, en dan draait het hele ding op atoomklok-grade nauwkeurigheid, " zegt Ruonan Han, een universitair hoofddocent in EECS en co-auteur van een paper waarin de klok wordt beschreven, vandaag gepubliceerd in Natuur Elektronica .

De moleculaire klok op chipschaal kan ook worden gebruikt voor een efficiëntere tijdregistratie bij operaties die locatieprecisie vereisen, maar waarbij weinig tot geen GPS-signaal nodig is. zoals onderwaterdetectie of slagveldtoepassingen.

Deelnemen aan Han op het papier zijn:Cheng Wang, een doctoraat student en eerste auteur; Xiang Yi, een postdoc; en afgestudeerde studenten James Mawdsley, Mina Kim, en Zihan Wang, allemaal van EECS.

In de jaren 1960, wetenschappers hebben één seconde officieel gedefinieerd als 9, 192, 631, 770 trillingen van straling, dat is de exacte frequentie die cesium-133-atomen nodig hebben om te veranderen van een lage toestand naar een hoge toestand van prikkelbaarheid. Omdat die verandering constant is, die exacte frequentie kan worden gebruikt als een betrouwbare tijdreferentie van één seconde. Eigenlijk, elke keer 9, 192, 631, 770 oscillaties optreden, een seconde is verstreken.

Atoomklokken zijn systemen die dat concept gebruiken. Ze vegen een smalle band van microgolffrequenties over cesium-133-atomen totdat een maximum aantal atomen overgaat naar hun hoge toestand - wat betekent dat de frequentie dan precies 9 is. 192, 631, 770 trillingen. Wanneer dat gebeurt, het systeem klokt een seconde. Het test continu of een maximaal aantal van die atomen zich in hoge energietoestanden bevinden en, als niet, past de frequentie aan om op koers te blijven. De beste atoomklokken hebben elke 1,4 miljoen jaar een fout van één seconde.

In recente jaren, het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency heeft atoomklokken op chipschaal geïntroduceerd. Maar deze kosten ongeveer $ 1, 000 per stuk - te duur voor consumentenapparaten. Om de schaal te verkleinen, "we zochten samen naar verschillende fysica, ", zegt Han. "We onderzoeken het gedrag van atomen niet; liever, we onderzoeken het gedrag van moleculen."

De chip van de onderzoekers werkt op dezelfde manier als een atoomklok, maar is gebaseerd op het meten van de rotatie van het molecuul carbonylsulfide (OCS), bij blootstelling aan bepaalde frequenties. Aan de chip is een gascel bevestigd die gevuld is met OCS. Een circuit veegt continu frequenties van elektromagnetische golven langs de cel, waardoor de moleculen gaan draaien. Een ontvanger meet de energie van deze rotaties en past de klokuitgangsfrequentie dienovereenkomstig aan. Bij een frequentie die zeer dicht bij 231,060983 gigahertz ligt, de moleculen bereiken piekrotatie en vormen een scherpe signaalrespons. De onderzoekers deelden die frequentie op tot precies één seconde, het matchen met de officiële tijd van atoomklokken.

"De output van het systeem is gekoppeld aan dat bekende aantal - ongeveer 231 gigahertz, ", zegt Han. "Je wilt een hoeveelheid die voor jou nuttig is, correleren met een hoeveelheid die een fysische constante is, dat verandert niet. Dan wordt je hoeveelheid heel stabiel."

Een belangrijke uitdaging was het ontwerpen van een chip die een signaal van 200 gigahertz kan uitzenden om een ​​molecuul te laten roteren. Componenten van consumentenapparaten kunnen over het algemeen maar een paar gigahertz aan signaalsterkte produceren. De onderzoekers ontwikkelden op maat gemaakte metalen structuren en andere componenten die de efficiëntie van transistors verhogen, om een ​​laagfrequent ingangssignaal om te vormen tot een hoogfrequente elektromagnetische golf, terwijl u zo min mogelijk stroom verbruikt. De chip verbruikt slechts 66 milliwatt aan stroom. Ter vergelijking, veelgebruikte smartphonefuncties, zoals GPS, Wifi, en LED-verlichting — kan tijdens gebruik honderden milliwatts verbruiken.

De chips kunnen worden gebruikt voor onderwaterdetectie, waar geen GPS-signalen beschikbaar zijn, zegt Han. In die toepassingen geluidsgolven worden in de oceaanbodem geschoten en keren terug naar een raster van onderwatersensoren. Binnen elke sensor, een aangesloten atoomklok meet de signaalvertraging om de locatie te bepalen van, zeggen, olie onder de oceaanbodem. De chip van de onderzoekers zou een energiezuinig en goedkoop alternatief kunnen zijn voor de atoomklokken.

De chip kan ook worden gebruikt op het slagveld, zegt Han. Bommen worden vaak op afstand geactiveerd op slagvelden, dus soldaten gebruiken apparatuur die alle signalen in het gebied onderdrukt, zodat de bommen niet afgaan. "Soldaten hebben dan zelf geen gps-signalen meer, ", zegt Han. "Dat zijn plaatsen waar een nauwkeurige interne klok voor lokale navigatie vrij essentieel wordt."

Momenteel, het prototype heeft wat fine-tuning nodig voordat het klaar is om consumentenapparaten te bereiken. De onderzoekers hebben momenteel plannen om de klok nog verder in te krimpen en het gemiddelde stroomverbruik terug te brengen tot enkele milliwatts, terwijl het foutenpercentage met nog eens een of twee ordes van grootte wordt verlaagd.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.