Чиповые атомные часы - Chip-scale atomic clock

Физический пакет атомных часов NIST в масштабе микросхемы

А атомные часы со шкалой чипов (CSAC) - это компактные маломощные атомные часы, изготовленные с использованием микроэлектромеханические системы (MEMS) и включающий маломощный полупроводниковый лазер в качестве источника света. Первый физический пакет CSAC был продемонстрирован на NIST в 2003 г.,[1] на основе изобретения 2001 года.[2] Работа финансировалась Министерство обороны США с Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) с целью разработки микрочип размер атомные часы для использования в переносном оборудовании. В военной технике предполагается обеспечить улучшенное расположение и поле боя ситуационной осведомленности для спешенного солдаты когда спутниковая система навигации недоступно,[3] но предполагается также много гражданских приложений. Промышленное производство этих атомных часов началось в 2011 году.[4] CSAC, самые маленькие атомные часы в мире, имеют размер 4 x 3,5 x 1 см (1,5 x 1,4 x 0,4 дюйма), весит 35 граммов, потребляет всего 115 мВт энергии и может отсчитывать время с точностью до 100 микросекунд в день после нескольких лет эксплуатации.Более устойчивая конструкция на основе вибрации рубидий атомов был продемонстрирован NIST в 2019 году.[5] Новый дизайн еще предстоит коммерциализировать.

Как это устроено

Как и другие атомные часы с цезием, часы отсчитывают время с точностью 9,192631770 ГГц. микроволновая печь сигнал, излучаемый электронными спиновыми переходами между двумя сверхтонкий уровни энергии в атомах цезий-133. Механизм обратной связи удерживает кварцевый генератор на кристалле на этой частоте, которая делится на цифровые счетчики дать 10 МГц и 1 Гц тактовые сигналы предусмотрены для вывода контактов. На кристалле жидкий металлический цезий в крошечной 2-миллиметровой капсуле, изготовленной с использованием технологии микромеханической обработки кремния, нагревается до испарения щелочного металла. Полупроводник лазер светит луч инфракрасный свет, модулируемый микроволнами осциллятор через капсулу на фотоприемник. Когда генератор настроен на точную частоту перехода, оптическое поглощение атомов цезия уменьшается, увеличивая выходную мощность фотоприемник. Выход фотоприемник используется как обратная связь в контур автоподстройки частоты цепь для поддержания правильной частоты генератора.

Развитие

Обычные атомные часы с паровой ячейкой размером примерно с колоду карт, потребляют около 10 Вт электроэнергии и стоят около 3000 долларов. Уменьшение их размера до размера полупроводникового кристалла потребовало обширных разработок и нескольких прорывов.[6] Важной частью разработки было проектирование устройства таким образом, чтобы его можно было изготавливать с использованием стандартных методов изготовления полупроводников, где это возможно, чтобы сохранить его стоимость достаточно низкой, чтобы оно могло стать устройством массового рынка. В обычных цезиевых часах используется стеклянная трубка, содержащая цезий, размер которой сложно сделать меньше 1 см. В CSAC МЭМС Методы были использованы для создания цезиевой капсулы размером всего 2 кубических миллиметра. Источником света в обычных атомных часах является рубидий газоразрядная лампа, который был громоздким и потреблял большое количество энергии. В CSAC он был заменен на инфракрасный лазер с вертикальной поверхностью резонатора (VCSEL), изготовленный на чипе, с его лучом, излучающим вверх в цезиевую капсулу над ним. Еще одним достижением было устранение микроволновая печь используются в обычных часах, размер которых равен длина волны частоты микроволн, около 3 см, составляет фундаментальный нижний предел размера часов.[6] Полость была сделана ненужной с помощью квантовой техники, когерентный отлов населения.

Коммерциализация

Как минимум одна компания, Microsemi, производит версию часов.[7]

использованная литература

  1. ^ Кнаппе, Свенья; Шах, Вишал; Schwindt, Peter D. D .; Холлберг, Лео; Китчинг, Джон; Лью, Ли-Энн; Морленд, Джон (30 августа 2004 г.). «Самодельные атомные часы». Письма по прикладной физике. 85 (9): 1460–1462. Bibcode:2004АпФЛ..85,1460К. Дои:10.1063/1.1787942. ISSN  0003-6951. S2CID  119968560.
  2. ^ Лео Холлберг и Джон Китчинг, Миниатюрный эталон частоты, основанный на полностью оптическом возбуждении и микрообработанном защитном сосуде, Патент США 6 806 784 B2., получено 2018-10-10
  3. ^ «Миниатюрные атомные часы для поддержки солдат при отсутствии GPS». Defense-Aerospace.com. Получено 2020-04-19.
  4. ^ Джонс, Уилли Д. (16 марта 2011 г.). "Чиповые атомные часы". IEEE Spectrum. Inst. инженеров по электротехнике и электронике. Получено 2 февраля, 2017.
  5. ^ «Команда NIST демонстрирует сердце атомных часов нового поколения».
  6. ^ а б Китчинг, Джон (2018). «Чип-атомные устройства». Обзоры прикладной физики. 5 (3): 031302. Bibcode:2018ApPRv ... 5c1302K. Дои:10.1063/1.5026238. ISSN  1931-9401.
  7. ^ "Атомные часы с чиповой шкалой (CSAC) | Microsemi". www.microsemi.com. Получено 2018-10-08.