Nowy typ miniaturowego zegara atomowego mógłby zapewnić lepsze odmierzanie czasu na przestrzeni tygodni i miesięcy w porównaniu z obecnymi systemami. Naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) we współpracy z naukowcami z Georgia Tech stworzyli pierwszy w swoim rodzaju zegar wiązki w skali chipa. Ich prace zostały opublikowane m.in Komunikacja natury.

Zegary atomowe przybierają różne formy, ale najstarszy i jeden z najbardziej znanych projektów jest zbudowany przy użyciu wiązek atomowych. Zegary te wysyłają wiązkę atomów przez komorę próżniową. Na jednym końcu komory atomy ustawiają się w określonym stanie kwantowym i zaczynają „tykać”. Na drugim końcu ich tempo tykania jest mierzone lub „odczytywane”. Korzystając z precyzyjnego tempa tykania atomów, inne zegary można porównać do zegarów z wiązką atomową i dostosować tak, aby pasowały do ​​​​ich czasu.

NIST używa wiązek atomowych do mierzenia czasu od lat pięćdziesiątych XX wieku. Przez dziesięciolecia zegary wiązkowe były używane do utrzymania podstawowego standardu dla sekundy i nadal są częścią narodowego zespołu pomiaru czasu NIST. Zegary Beam są precyzyjne, stabilne i dokładne, ale obecnie nie są najbardziej przenośne. Komory próżniowe, w których przemieszczają się atomy, są kluczem do sukcesu tych zegarów, ale są one nieporęczne częściowo ze względu na rozmiar wnęki mikrofalowej używanej do badania atomowego „tykania”. Komora próżniowa dla NIST-7, ostatniego zegara wiązki używanego w podstawowym standardzie częstotliwości w USA, miała ponad 2,5 metra lub 8 stóp długości.

Mniejsze zegary handlowe o wielkości teczki są powszechne, ale nadal wymagają znacznej ilości energii (około 50 watów). Dla porównania, smartfony wymagają około jednej trzeciej wata do typowego działania.

Zegary atomowe w skali chipa (CSAC) zostały opracowane przez NIST w 2001 roku. Postępy w technikach mikrowytwarzania pozwoliły NIST na wytwarzanie ogniw parowych, maleńkich komór, w których przechowywane są i mierzone atomy zegara, wielkości ziarnka ryżu; cały zegar jest mniej więcej wielkości kawałka sushi. Zegary te zużywają bardzo mało energii i mogą działać na bateriach, zapewniając synchronizację w sytuacjach krytycznych, do których nie dociera GPS. CSAC znalazły liczne zastosowania w podwodnych poszukiwaniach ropy i gazu, nawigacji wojskowej, a nawet w telekomunikacji. Jednak odmierzanie czasu przez zegary ma tendencję do dryfowania, gdy zmieniają się temperatury, a gaz otaczający atomy ulega degradacji.

„CSAC ma niski pobór mocy i wysoką wydajność, biorąc pod uwagę jego rozmiar. To wspaniałe urządzenie, ale dryfuje po uruchomieniu przez kilka tysięcy sekund” – powiedział William McGehee, fizyk z NIST. „Zegary Beam istnieją od lat 50. XX wieku i są stabilne, ale nadal wymagają dużej mocy. A gdybyśmy mogli połączyć najlepsze aspekty tych dwóch systemów?”

Korzystając z technik mikrowytwarzania wyuczonych w CSAC, grupa wyprodukowała urządzenie z wiązką atomową w skali mikroukładu, używając stosu wytrawionych warstw krzemu i szkła. To urządzenie jest wysoce zminiaturyzowaną wersją komór, które były używane w zegarach z wiązką atomową, takich jak NIST-7 i ma mniej więcej rozmiar znaczka pocztowego.

Techniki konstrukcji atomowych ogniw parowych opracowane w NIST i wytrawione macierze mikrokapilarne opracowane w Georgia Tech były kluczem do zmniejszenia komór próżniowych większych zegarów wiązkowych.

W urządzeniu jedna komora zawiera małą pigułkę rubidu. Ta komora nagrzewa się, uwalniając strumień atomów rubidu przez mikrokapilary, kanały o szerokości zaledwie 100 mikrometrów. Te maleńkie kanały łączą się z inną komorą z materiałami, które mogą pochłaniać – lub zbierać – pojedyncze cząsteczki gazu, zwane nieodparowującymi pochłaniaczami lub NEG, które przyciągają atomy rubidu i zbierają je, utrzymując próżnię w mikrokapilarach w czystości. Małe pręciki grafitu pomagają również zbierać zabłąkane atomy w trakcie tego procesu.

W tej chwili to urządzenie z wiązką w skali chipa jest prototypem miniaturowego zegara z wiązką atomową. Wstępne testy zegara wiązki w skali chipa wykazały wydajność na poziomie nieco gorszym niż istniejące CSAC, ale zespół widzi drogę do poprawy stabilności. Naukowcy mają nadzieję zwiększyć swoją precyzję o kolejny współczynnik 10 i przekroczyć stabilność istniejących CSAC o 100 razy w skali tygodnia.

NIST nawiązał współpracę z HRL Laboratories, CU Boulder i Virginia Tech w celu zbadania, jak mały zegar można zbudować w oparciu o tę technologię.

Artykuł: Gabriela D. Martinez, Chao Li, Alexander Staron, John Kitching, Chandra Raman i William R. McGehee. Zegar z wiązką atomową w skali chipa. Komunikacja natury. Opublikowano w Internecie 13 czerwca 2023 r. DOI: 10.1038/s41467-023-39166-1