Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en partners hebben een experimenteel, atoomklok van de volgende generatie - tikkend op hoge "optische" frequenties - die veel kleiner is dan normaal, gemaakt van slechts drie kleine chips plus ondersteunende elektronica en optica.

Beschreven in optiek , de klok op chipschaal is gebaseerd op de trillingen, of "teken, " van rubidium-atomen opgesloten in een kleine glazen container, een dampcel genoemd, op een chip. Twee frequentiekammen op chips werken als tandwielen om de hoogfrequente optische tikken van de atomen te koppelen aan een lagere, veelgebruikte microgolffrequentie die in toepassingen kan worden gebruikt.

Het op chips gebaseerde hart van de nieuwe klok vereist heel weinig stroom (slechts 275 milliwatt) en, met extra technologische vooruitgang, kan mogelijk klein genoeg worden gemaakt om in de hand te worden gehouden. Optische klokken op chipschaal zoals deze zouden uiteindelijk de traditionele oscillatoren in toepassingen zoals navigatiesystemen en telecommunicatienetwerken kunnen vervangen en dienen als back-upklokken op satellieten.

"We hebben een optische atoomklok gemaakt waarin alle belangrijke componenten microgefabriceerd zijn en samenwerken om een ​​uitzonderlijk stabiele output te produceren, "NIST-collega John Kitching zei. "Uiteindelijk, we verwachten dat dit werk zal leiden tot kleine, klokken met een laag vermogen die uitzonderlijk stabiel zijn en een nieuwe generatie nauwkeurige timing voor draagbare, apparaten op batterijen."

De klok is gebouwd bij NIST met hulp van het California Institute of Technology (Pasadena, Californië), Stanford-universiteit (Stanford, Californië) en Charles Stark Draper Laboratories (Cambridge, Massa.).

Standaard atoomklokken werken op microgolffrequenties, gebaseerd op de natuurlijke trillingen van het cesiumatoom - 's werelds primaire definitie van het tweede. optische atoomklokken, draaien op hogere frequenties, bieden meer precisie omdat ze de tijd in kleinere eenheden verdelen en een hoge "kwaliteitsfactor" hebben, " wat aangeeft hoe lang de atomen alleen kunnen tikken, zonder hulp van buitenaf. Optische klokken zullen naar verwachting de basis vormen voor een toekomstige herdefiniëring van de tweede.

In NIST's originele atoomklok op chipschaal, de atomen werden onderzocht met een microgolffrequentie. Commerciële versies van deze klok zijn een industriestandaard geworden voor draagbare toepassingen die een hoge timingstabiliteit vereisen. Maar ze moeten eerst worden gekalibreerd en hun frequentie kan in de loop van de tijd afwijken, met aanzienlijke timingfouten tot gevolg.

Compacte optische klokken zijn een mogelijke stap voorwaarts. Tot nu, optische klokken zijn omvangrijk en complex geweest, alleen geëxploiteerd als experimenten door metrologische instellingen en universiteiten.

Optische teken in rubidium zijn uitgebreid bestudeerd voor gebruik als frequentiestandaarden en zijn nauwkeurig genoeg om te worden gebruikt als lengtestandaarden. De rubidium-dampcel van NIST en de twee frequentiekammen zijn op dezelfde manier gemicrofabriceerd als computerchips. Dit betekent dat ze de verdere integratie van elektronica en optica kunnen ondersteunen en in massaproductie kunnen worden geproduceerd - een pad naar commercieel levensvatbare, compacte optische klokken.

NIST's op chips gebaseerde optische klok heeft een instabiliteit van 1,7 x 10 ¹³ om 4, 000 seconden - ongeveer 100 keer beter dan de microgolfklok op chipschaal.

De klok werkt als volgt:De rubidium-atomen tikken op een optische frequentie in de terahertz (THz) band. Deze ticking wordt gebruikt om een ​​infrarood laser te stabiliseren, een kloklaser genoemd, die wordt omgezet in een gigahertz (GHz) microgolfkloksignaal door twee frequentiekammen die als tandwielen werken. een kam, werkend op een THz-frequentie, omspant een breed genoeg bereik om zichzelf te stabiliseren. De THz-kam is gesynchroniseerd met een GHz-frequentiekam, die wordt gebruikt als een fijn verdeelde liniaal die op de kloklaser is vergrendeld. De klok produceert dus een elektrisch GHz-microgolfsignaal - dat kan worden gemeten met conventionele elektronica - dat wordt gestabiliseerd voor de THz-trillingen van het rubidium.

In de toekomst, de stabiliteit van de op een chip gebaseerde klok kan worden verbeterd met geluidsarme lasers en de grootte kan worden verkleind met meer geavanceerde optische en elektronische integratie.