MIT-forskare har utvecklat den första molekylära klockan på ett chip, som använder konstanten, mätbar rotation av molekyler - när de utsätts för en viss frekvens av elektromagnetisk strålning - för att hålla tiden. Chipet kan en dag avsevärt förbättra noggrannheten och prestanda för navigering på smartphones och andra konsumentenheter.

Dagens mest exakta tidtagare är atomur. Dessa klockor förlitar sig på atomernas stadiga resonans, när de utsätts för en specifik frekvens, att mäta exakt en sekund. Flera sådana klockor är installerade i alla GPS -satelliter. Genom att "trilatera" tidssignaler som sänds från dessa satelliter - en teknik som triangulering, som använder 3D-dimensionell data för positionering – din smartphone och andra markmottagare kan lokalisera sin egen plats.

Men atomur är stora och dyra. Din smartphone, därför, har en mycket mindre exakt intern klocka som förlitar sig på tre satellitsignaler för att navigera och kan fortfarande beräkna fel platser. Fel kan reduceras med korrigeringar från ytterligare satellitsignaler, om tillgänglig, men detta försämrar prestanda och hastighet på din navigering. När signaler sjunker eller försvagas – som i områden omgivna av signalreflekterande byggnader eller i tunnlar – litar din telefon i första hand på sin klocka och en accelerometer för att uppskatta din plats och vart du är på väg.

Forskare från MIT:s avdelning för elektroteknik och datavetenskap (EECS) och Terahertz Integrated Electronics Group har nu byggt en on-chip-klocka som exponerar specifika molekyler-inte atomer-för en exakt, ultrahög frekvens som får dem att snurra. När de molekylära rotationerna orsakar maximal energiabsorption, en periodisk utmatning klockas - i detta fall en sekund. Som med atomers resonans, denna spin är tillförlitligt konstant nog att den kan fungera som en exakt tidsreferens.

I experiment, den molekylära klockan hade i genomsnitt ett fel under 1 mikrosekund per timme, jämförbar med miniatyr atomur och 10, 000 gånger stabilare än kristalloscillatorns klockor i smartphones. Eftersom klockan är helt elektronisk och inte kräver skrymmande, energikrävande komponenter som används för att isolera och excitera atomerna, den tillverkas med låg kostnad, komplementär metall-oxid-halvledare (CMOS) integrerad kretsteknik som används för att göra alla smartphone-chips.

"Vår vision är i framtiden, du behöver inte spendera en stor del pengar på att få atomur i den mesta utrustningen. Snarare, du har bara en liten gascell som du fäste i hörnet av ett chip i en smartphone, och sedan körs det hela med atomklockans noggrannhet, "säger Ruonan Han, en docent i EECS och medförfattare till en artikel som beskriver klockan, publiceras idag i Nature Electronics .

Den molekylära klockan i chipskala kan också användas för mer effektiv tidshållning i operationer som kräver platsprecision men som involverar liten eller ingen GPS-signal, såsom undervattensavkänning eller slagfältsapplikationer.

Han går med på pappret:Cheng Wang, en Ph.D. student och första författare; Xiang Yi, en postdoc; och doktorander James Mawdsley, Mina Kim, och Zihan Wang, allt från EECS.

På 1960-talet forskare definierade officiellt en sekund som 9, 192, 631, 770 strålningssvängningar, vilket är den exakta frekvens som krävs för att cesium-133-atomer ska ändras från ett lågt tillstånd av excitabilitet. Eftersom den förändringen är konstant, den exakta frekvensen kan användas som en pålitlig tidsreferens på en sekund. Väsentligen, varje gång 9, 192, 631, 770 svängningar inträffar, en sekund har gått.

Atomklockor är system som använder det konceptet. De sveper ett smalt band av mikrovågsfrekvenser över cesium-133 atomer tills ett maximalt antal av atomerna övergår till sina höga tillstånd - vilket betyder att frekvensen då är på exakt 9, 192, 631, 770 svängningar. När det händer, systemet klockar en sekund. Den testar kontinuerligt att ett maximalt antal av dessa atomer är i högenergistillstånd och, om inte, justerar frekvensen för att hålla koll. De bästa atomklockorna kommer inom en sekund efter fel var 1,4 miljoner år.

På senare år har den amerikanska försvarsbyrån för avancerade forskningsprojekt har introducerat atomklockor i chipskala. Men dessa kostar ungefär $1, 000 styck – för dyrt för konsumentenheter. För att minska skalan, "vi sökte efter olika fysik tillsammans, Han säger. "Vi undersöker inte beteendet hos atomer; snarare, vi undersöker molekylernas beteende. "

Forskarnas chip fungerar på samma sätt som en atomklocka men är beroende av att mäta rotationen av molekylen karbonylsulfid (OCS), när de utsätts för vissa frekvenser. Fäst på chipet är en gascell fylld med OCS. En krets sveper kontinuerligt frekvenser av elektromagnetiska vågor längs cellen, får molekylerna att börja rotera. En mottagare mäter energin för dessa rotationer och justerar klockans utgångsfrekvens därefter. Vid en frekvens mycket nära 231,060983 gigahertz, molekylerna når topprotation och bildar ett skarpt signalsvar. Forskarna delade upp den frekvensen till exakt en sekund, matcha den med den officiella tiden från atomur.

"Systemets utgång är kopplad till det kända numret - cirka 231 gigahertz, "Han säger." Du vill korrelera en mängd som är användbar för dig med en kvantitet som är fysisk konstant, det förändras inte. Då blir din kvantitet väldigt stabil."

En viktig utmaning var att designa ett chip som kan skjuta ut en 200-gigahertz-signal för att få en molekyl att rotera. Konsumentenhetskomponenter kan i allmänhet bara producera några få gigahertz signalstyrka. Forskarna utvecklade anpassade metallstrukturer och andra komponenter som ökar effektiviteten hos transistorer, för att forma en lågfrekvent insignal till en högre frekvens elektromagnetisk våg, samtidigt som du använder så lite ström som möjligt. Chipet förbrukar bara 66 milliwatt ström. För jämförelse, vanliga smarttelefonfunktioner - till exempel GPS, Wi-Fi, och LED-belysning — kan förbruka hundratals milliwatt under användning.

Chipsen kan användas för undervattensavkänning, där GPS -signaler inte är tillgängliga, säger Han. I dessa applikationer, soniska vågor skjuts in i havsbotten och återvänder till ett nät av undervattenssensorer. Inuti varje sensor, en ansluten atomklocka mäter signalfördröjningen för att lokalisera, säga, olja under havsbotten. Forskarnas chip kan vara ett lågeffekts- och lågkostnadsalternativ till atomklockorna.

Chipet kan också användas på slagfältet, Säger Han. Bomber utlöses ofta på avstånd på slagfält, så soldater använder utrustning som dämpar alla signaler i området så att bomberna inte går av. "Soldaterna själva har då inte GPS -signaler längre, " säger Han. "Det är platser där en exakt intern klocka för lokal navigering blir mycket viktig."

För närvarande, prototypen behöver finjusteras innan den är redo att nå konsumentenheter. Forskarna har för närvarande planer på att krympa klockan ännu mer och minska den genomsnittliga strömförbrukningen till några milliwatt, samtidigt som den minskar sin felfrekvens med ytterligare en eller två storleksordningar.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.