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 [1] на основе изобретения , сделанные в 2001 году [2] работа финансировалась министерством обороны США «ы обороны Агентства перспективных исследований (DARPA) с целью разработка микрочип -sized атомных часов для использования в портативном оборудовании. В военной технике ожидается улучшение местоположения и боевого пространства. ситуационная осведомленность спешившихся солдат, когда глобальная система определения местоположения недоступна [3], но также предусматривается множество гражданских приложений. Коммерческое 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 выдерживать 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. [5] Новая конструкция еще не запущена в коммерческую эксплуатацию.
Как это работает
Как и другие атомные часы цезия, часы отсчитывают время с помощью точного микроволнового сигнала с частотой 9,192631770 ГГц, излучаемого спиновыми переходами электронов 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 до испарения щелочного металла. Полупроводниковый лазер направляет луч инфракрасного света, модулируемый микроволновым генератором, через капсулу на фотодетектор . Когда генератор настроен на точную частоту перехода, оптическое поглощение атомов цезия уменьшается, увеличивая выходную мощность фотодетектора . Выход фотодетектора используется в качестве обратной связи в схеме частотной автоподстройки частоты , чтобы поддерживать правильную частоту генератора.
Разработка
Обычные атомные часы с паровой ячейкой размером с колоду карт, потребляют около 10 Вт электроэнергии и стоят около 3000 долларов. Уменьшение их до размеров 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 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 кристалле, 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. [6] Резонатор стал ненужным благодаря использованию квантовой техники когерентного захвата населенностей .
Коммерциализация
По крайней мере одна компания, Microsemi , выпускает версию часов. [7]
Рекомендации
- ^ Knappe, Svenja; Шах, Вишал; Швиндт, Питер Д.Д .; 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 : 2004ApPhL..85.1460K . DOI : 10.1063 / 1.1787942 . ISSN 0003-6951 . S2CID 119968560 .
- ^ Лео Холлберг и Джон Китчинг, Миниатюрный эталон частоты, основанный на полностью оптическом возбуждении и микрообработанном защитном сосуде, Патент США 6 806 784 B2. , получено 10.10.2018
- ^ «Миниатюрные атомные часы для поддержки солдат без GPS» . Defense-Aerospace.com . Проверено 19 апреля 2020 .
- ^ Джонс, Уилли Д. (16 марта 2011 г.). "Чиповые атомные часы" . IEEE Spectrum . Inst. инженеров по электротехнике и электронике . Проверено 2 февраля 2017 года .
- ^ «Команда NIST демонстрирует сердце атомных часов нового поколения» .
- ^ а б Китчинг, Джон (2018). «Чиповые атомные устройства» . Обзоры прикладной физики . 5 (3): 031302. Bibcode : 2018ApPRv ... 5c1302K . DOI : 10.1063 / 1.5026238 . ISSN 1931-9401 .
- ^ "Атомные часы с чиповой шкалой (CSAC) | Microsemi" . www.microsemi.com . Проверено 8 октября 2018 .