Un reloj atómico a escala de chip (CSAC) es un reloj atómico compacto de baja potencia fabricado utilizando técnicas de sistemas microelectromecánicos (MEMS) e incorporando un láser semiconductor de baja potencia como fuente de luz. El primer paquete de física CSAC se demostró en el NIST en 2003, [1] sobre la base de una invención realizada en 2001. [2] El trabajo fue financiado por el Departamento de Defensa de EE.UU. 's de Defensa Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (DARPA) con el objetivo de desarrollar un reloj atómico del tamaño de un microchip para su uso en equipos portátiles. En equipamiento militar, se espera que proporcione una mejor ubicación y espacio de batalla. conciencia de la situación para los soldados desmontados cuando el sistema de posicionamiento global no está disponible, [3] pero también se prevén muchas aplicaciones civiles. La fabricación comercial de estos relojes atómicos comenzó en 2011. [4] El CSAC, el reloj atómico más pequeño del mundo, mide 4 x 3,5 x 1 cm (1,5 x 1,4 x 0,4 pulgadas), pesa 35 gramos y consume solo 115 mW de energía. y puede mantener el tiempo dentro de los 100 microsegundos por día después de varios años de funcionamiento. En 2019, el NIST demostró un diseño más estable basado en la vibración de los átomos de rubidio. [5] El nuevo diseño aún no se ha comercializado.
Cómo funciona
Al igual que otros relojes atómicos de cesio, el reloj mantiene el tiempo mediante una señal de microondas precisa de 9.192631770 GHz emitida por transiciones de espín de electrones entre dos niveles de energía hiperfina en átomos de cesio-133 . Un mecanismo de retroalimentación mantiene un oscilador de cristal de cuarzo en el chip bloqueado a esta frecuencia, que se divide por contadores digitales para dar señales de reloj de 10 MHz y 1 Hz proporcionadas a los pines de salida. En el chip, se calienta cesio metálico líquido en una diminuta cápsula de 2 mm, fabricada mediante técnicas de micromecanizado de silicio, para vaporizar el metal alcalino. Un láser semiconductor proyecta un haz de luz infrarroja modulada por el oscilador de microondas a través de la cápsula hacia un fotodetector . Cuando el oscilador está en la frecuencia precisa de la transición, la absorción óptica de los átomos de cesio se reduce, aumentando la salida del fotodetector . La salida del fotodetector se utiliza como retroalimentación en un circuito de bucle bloqueado de frecuencia para mantener el oscilador en la frecuencia correcta.
Desarrollo
Los relojes atómicos convencionales de células de vapor tienen aproximadamente el tamaño de una baraja de cartas, consumen alrededor de 10 W de energía eléctrica y cuestan alrededor de $ 3,000. Reducirlos al tamaño de un chip semiconductor requirió un desarrollo extenso y varios avances. [6] Una parte importante del desarrollo fue diseñar el dispositivo para que pudiera fabricarse utilizando técnicas estándar de fabricación de semiconductores cuando fuera posible, para mantener su costo lo suficientemente bajo como para que pudiera convertirse en un dispositivo de mercado masivo. Los relojes de cesio convencionales usan un tubo de vidrio que contiene cesio, que son difíciles de hacer más pequeños de 1 cm. En el CSAC, se utilizaron técnicas MEMS para crear una cápsula de cesio de solo 2 milímetros cúbicos de tamaño. La fuente de luz en los relojes atómicos convencionales es una lámpara de descarga de vapor atómico de rubidio , que era voluminosa y consumía grandes cantidades de energía. En el CSAC, esto fue reemplazado por un láser emisor de superficie de cavidad vertical infrarroja (VCSEL) fabricado en el chip, con su rayo irradiando hacia arriba en la cápsula de cesio por encima de él. Otro avance fue la eliminación de la cavidad de microondas utilizada en los relojes convencionales, cuyo tamaño, igual a una longitud de onda de la frecuencia de microondas, de unos 3 cm, formaba el límite inferior fundamental del tamaño del reloj. [6] La cavidad se hizo innecesaria mediante el uso de una técnica cuántica, la captura de población coherente .
Comercialización
Al menos una empresa, Microsemi , produce una versión del reloj. [7]
Referencias
- ^ Knappe, Svenja; Shah, Vishal; Schwindt, Peter DD; Hollberg, Leo; Kitching, John; Liew, Li-Anne; Moreland, John (30 de agosto de 2004). "Un reloj atómico microfabricado". Letras de Física Aplicada . 85 (9): 1460-1462. Código bibliográfico : 2004ApPhL..85.1460K . doi : 10.1063 / 1.1787942 . ISSN 0003-6951 . S2CID 119968560 .
- ^ Leo Hollberg y John Kitching, estándar de frecuencia en miniatura basado en excitación totalmente óptica y un recipiente de contención micromecanizado, patente de EE. UU. 6.806.784 B2. , consultado el 10 de octubre de 2018
- ^ "Reloj atómico miniaturizado para apoyar a los soldados en ausencia de GPS" . Defense-Aerospace.com . Consultado el 19 de abril de 2020 .
- ^ Jones, Willie D. (16 de marzo de 2011). "Reloj atómico a escala de chip" . Espectro IEEE . Inst. de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos . Consultado el 2 de febrero de 2017 .
- ^ "El equipo de NIST demuestra el corazón del reloj atómico de escala de chip de próxima generación" .
- ^ a b Kitching, John (2018). "Dispositivos atómicos a escala de chip" . Revisiones de física aplicada . 5 (3): 031302. Código Bibliográfico : 2018ApPRv ... 5c1302K . doi : 10.1063 / 1.5026238 . ISSN 1931-9401 .
- ^ "Chip Scale Atomic Clock (CSAC) | Microsemi" . www.microsemi.com . Consultado el 8 de octubre de 2018 .