Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een chip gemaakt waarop laserlicht interageert met een kleine wolk van atomen om te dienen als een miniatuurtoolkit voor het meten van belangrijke grootheden zoals lengte met kwantumprecisie. Het ontwerp zou met bestaande technologie in massa kunnen worden geproduceerd.

Zoals beschreven in optiek , NIST's prototype-chip werd gebruikt om infrarood licht te genereren met een golflengte van 780 nanometer, precies genoeg om te worden gebruikt als lengtereferentie voor het kalibreren van andere instrumenten. De NIST-chip verpakt de atoomwolk en structuren voor het geleiden van lichtgolven in minder dan 1 vierkante centimeter, ongeveer een tienduizendste van het volume van andere compacte apparaten die een vergelijkbare meetnauwkeurigheid bieden.

"Vergeleken met andere apparaten die chips gebruiken om lichtgolven te geleiden om atomen te onderzoeken, onze chip verhoogt de meetnauwkeurigheid honderdvoudig, "NIST-natuurkundige Matt Hummon zei. "Onze chip is momenteel afhankelijk van een kleine externe laser- en optische tafel, maar in toekomstige ontwerpen, we hopen alles op de chip te zetten."

Veel apparaten gebruiken licht om de kwantumtoestanden van atomen in een damp opgesloten in een kleine cel te onderzoeken. Atomen kunnen zeer gevoelig zijn voor externe omstandigheden, en daarom, uitstekende detectoren maken. Apparaten die gebaseerd zijn op lichtinteracties met atomaire dampen kunnen grootheden meten zoals tijd, lengte en magnetische velden en hebben toepassingen in navigatie, communicatie, geneeskunde en andere gebieden. Dergelijke inrichtingen moeten in het algemeen met de hand worden geassembleerd.

De nieuwe NIST-chip transporteert licht van de externe laser door een nieuwe golfgeleider en roosterstructuur om de bundeldiameter te vergroten om ongeveer 100 miljoen atomen te onderzoeken totdat ze van het ene energieniveau naar het andere overschakelen. Om de laserlichtfrequentie of golflengte te bepalen die de atomen zullen absorberen om deze energietransitie te ondergaan, het systeem gebruikt een fotodetector om de laserafstemming te identificeren waarbij slechts ongeveer de helft van het licht door de dampcel gaat.

De demonstratie gebruikte een gas van rubidium-atomen, maar de chip zou kunnen werken met een breed scala aan atomaire en moleculaire dampen om specifieke frequenties te genereren over het hele zichtbare spectrum van licht en een deel van de infraroodband. Als de laser goed is afgesteld, een deel van het originele laserlicht kan worden overgeheveld als output om als referentiestandaard te gebruiken.

De NIST-chip kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om lengtemeetinstrumenten te kalibreren. De internationale lengtestandaard is gebaseerd op de snelheid van het licht, gelijk aan de golflengte van het licht vermenigvuldigd met de frequentie ervan.

Maar belangrijker, de nieuwe chip laat zien dat lasers en atomaire dampcellen mogelijk samen in massa kunnen worden geproduceerd als halfgeleiders, gebruikmakend van siliciummaterialen en traditionele chipproductietechnieken, in plaats van de huidige handmatige montage van omvangrijke optica en geblazen glasdampcellen, NIST-groepsleider John Kitching zei. Deze vooruitgang kan van toepassing zijn op veel NIST-instrumenten, van atoomklokken tot magnetische sensoren en gasspectrometers.

De NIST-chip is 14 millimeter (ongeveer 0,55 inch) lang en 9 mm (ongeveer 0,35 inch) breed. De golfgeleiders zijn gemaakt van siliciumnitride, die een breed scala aan lichtfrequenties aankan. De dampcel is micromachinaal bewerkt silicium met glazen vensters en is vergelijkbaar met die gebruikt in NIST's chip-schaal atoomklok en magnetometer, ook ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Kitching.

Het nieuwe apparaat meet de frequentie met een precisie van 1 deelfout in 10 miljard op 100 seconden, een prestatie geverifieerd door vergelijking met een afzonderlijke NIST-frequentiekam. Dit prestatieniveau is erg goed voor zoiets kleins, hoewel full-scale laboratoriuminstrumenten nauwkeuriger zijn, zei Kitching.

Het onderzoek maakt deel uit van het NIST-on-a-Chip programma, gericht op het maken van prototypes voor kleine, goedkoop, energiezuinige en eenvoudig te vervaardigen meetinstrumenten die op kwantum gebaseerd zijn, en daarom, intrinsiek nauwkeurig. Deze tools zijn bedoeld om vrijwel overal inzetbaar te zijn, zoals in industriële omgevingen voor kalibratie van instrumenten. Onder dit programma, Door NIST baanbrekende technologieën zouden worden vervaardigd en gedistribueerd door de particuliere sector.