Чиповые атомные часы - Chip-scale atomic clock
Чип масштаба атомные часы (ГОПК) представляет собой компактный, с низким энергопотреблением атомные часы изготовлены с использованием методов микроэлектромеханических систем (МЭМС) и включения полупроводникового лазера низкой мощности в качестве источника света. Первый пакет физики ГОПК была продемонстрирована на NIST в 2003 году, на основе изобретения , сделанные в 2001 году работа финансировалась министерством обороны США «ы передовых оборонных исследовательских проектов агентства (DARPA) с целью разработки микрочип -sized атомное часы для использования в переносном оборудовании. Что касается военной техники, ожидается, что она обеспечит улучшенное местоположение и ситуационную осведомленность в боевом пространстве для спешившихся солдат, когда глобальная система определения местоположения недоступна, но также предусматривается множество гражданских приложений. Коммерческое производство этих атомных часов началось в 2011 году. 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, потребляют всего 115 мВт энергии и могут выдерживайте время с точностью до 100 микросекунд в день после нескольких лет эксплуатации. Более стабильная конструкция, основанная на вибрации атомов рубидия, была продемонстрирована NIST в 2019 году. Новая конструкция еще не поступила в продажу.
Как это работает
Как и другие атомные часы цезия, часы отсчитывают время с помощью точного микроволнового сигнала 9,192631770 ГГц, излучаемого электронными спиновыми переходами между двумя уровнями сверхтонкой энергии в атомах цезия-133 . Механизм обратной связи удерживает кварцевый генератор на микросхеме синхронизированным с этой частотой, которая делится цифровыми счетчиками для выдачи тактовых сигналов 10 МГц и 1 Гц, подаваемых на выходные контакты. На кристалле жидкий металлический цезий в крошечной 2-миллиметровой капсуле, изготовленной с использованием технологии микромеханической обработки кремния, нагревается для испарения щелочного металла. Полупроводниковый лазер излучает луч инфракрасного света, модулированный микроволновым генератором, через капсулу на фотодетектор . Когда генератор настроен на точную частоту перехода, оптическое поглощение атомов цезия уменьшается, увеличивая выходную мощность фотодетектора . Выходной сигнал фотодетектора используется в качестве обратной связи в цепи автоподстройки частоты , чтобы поддерживать правильную частоту 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. Важной частью разработки было проектирование устройства таким образом, чтобы его можно было изготавливать с использованием стандартных методов производства 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 были использованы методы MEMS для создания цезиевой капсулы размером всего 2 кубических миллиметра. Источником света в обычных атомных часах является газоразрядная лампа на основе паров атомов рубидия , которая была громоздкой и потребляла большое количество энергии. В CSAC он был заменен инфракрасным лазером с вертикальным резонатором, излучающим поверхность (VCSEL), изготовленным на чипе, с его лучом, излучающим вверх в цезиевую капсулу над ним. Другим достижением было устранение микроволнового резонатора, используемого в обычных часах, размер которого, равный длине волны микроволновой частоты, около 3 см, образует фундаментальный нижний предел размера часов. Резонатор стал ненужным благодаря использованию квантовой техники - когерентного захвата населенностей .
Коммерциализация
По крайней мере, одна компания, Microsemi , выпускает версию часов.