• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Mini verktygslåda för mätningar:Nya NIST -chip tipsar om framtidens kvantgivare

    NIST:s prototypchip för att mäta viktiga mängder som längd med kvantprecision. Enheten fungerar genom att använda en laser för att sondera atomer för att generera infrarött ljus med en exakt våglängd. NIST -chipet packar ett litet moln av atomer och strukturer för att styra ljusvågor till mindre än 1 kvadratcentimeter. Atomerna finns i en ångcell-det fyrkantiga fönstret ovanpå chipet, som omges av svart epoxi som håller en fiberoptisk matris. Slanten är en skalreferens. Kredit:Hummon/NIST

    Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har skapat ett chip på vilket laserljus interagerar med ett litet moln av atomer för att fungera som en miniatyrverktygssats för att mäta viktiga mängder som längd med kvantprecision. Designen kan massproduceras med befintlig teknik.

    Som beskrivs i Optica , NIST:s prototypchip användes för att generera infrarött ljus vid en våglängd på 780 nanometer, precis tillräckligt för att användas som en längdreferens för kalibrering av andra instrument. NIST -chipet packar atommolnet och strukturer för att styra ljusvågor till mindre än 1 kvadratcentimeter, ungefär en tiotusendel av volymen av andra kompakta enheter som erbjuder liknande mätprecision.

    "Jämfört med andra enheter som använder chips för att styra ljusvågor för att sondera atomer, vårt chip ökar mätprecisionen hundra gånger, "NIST -fysikern Matt Hummon sa." Vårt chip är för närvarande beroende av en liten extern laser- och optikbord, men i framtida design, vi hoppas kunna lägga allt på chipet. "

    Många enheter använder ljus för att undersöka atomernas kvanttillstånd i en ånga som är begränsad i en liten cell. Atomer kan vara mycket känsliga för yttre förhållanden, och därför, göra fantastiska detektorer. Enheter baserade på ljusinteraktioner med atomånga kan mäta mängder som tid, längd och magnetfält och har applikationer inom navigering, kommunikation, medicin och andra områden. Sådana anordningar måste generellt sättas ihop för hand.

    Det nya NIST -chipet transporterar ljus från den yttre lasern genom en ny vågledare och gallergrupp för att expandera stråldiametern för att sonda cirka 100 miljoner atomer tills de växlar från en energinivå till en annan. För att bestämma laserljusfrekvensen eller våglängden som atomerna kommer att absorbera för att genomgå denna energiovergång, systemet använder en fotodetektor för att identifiera lasertuningen vid vilken endast ungefär hälften av ljuset passerar genom ångcellen.

    Demonstrationen använde en gas av rubidiumatomer, men chipet kan fungera med ett brett spektrum av atom- och molekylångor för att generera specifika frekvenser över hela det synliga ljusspektrumet och några av det infraröda bandet. När lasern är rätt inställd, några av det ursprungliga laserljuset kan sippras av som utmatning för att användas som referensstandard.

    NIST -chipet kan användas, till exempel, för att kalibrera längdmätinstrument. Den internationella längdstandarden är baserad på ljusets hastighet, ekvivalent med ljusets våglängd multiplicerat med dess frekvens.

    Men ännu viktigare, det nya chipet visar att lasrar och atomånga celler eventuellt kan massproduceras tillsammans som halvledare, med hjälp av kiselmaterial och traditionella spånstillverkningstekniker, i stället för den nuvarande manuella monteringen av skrymmande optik och ångceller i blåst glas, NIST -gruppledaren John Kitching sa. Detta förskott kan gälla många NIST -instrument, från atomur till magnetiska sensorer och gasspektrometrar.

    NIST -chipet är 14 millimeter (cirka 0,55 tum) långt och 9 mm (cirka 0,35 tum) brett. Vågledarna är gjorda av kiselnitrid, som kan hantera ett brett spektrum av ljusfrekvenser. Ångcellen är mikromaskinerad kisel med glasfönster och liknar den som används i NIST:s atomklocka och magnetometer, också utvecklad av Kitchings forskargrupp.

    Den nya enheten mäter frekvensen med en precision på 1 delfel på 10 miljarder på 100 sekunder, en prestanda verifierad genom jämförelse med en separat NIST -frekvenskam. Denna prestandanivå är mycket bra för något så litet, även om fullskaliga labbinstrument är mer exakta, Sa Kitching.

    Forskningen är en del av NIST-on-a-Chip-programmet, syftar till att skapa prototyper för små, billig, lågeffekts och enkelt tillverkade mätverktyg som är kvantbaserade, och sålunda, i grunden korrekt. Dessa verktyg är avsedda att vara användbara praktiskt taget var som helst, till exempel i industriella miljöer för kalibrering av instrument. Under detta program, NIST-banbrytande teknik skulle tillverkas och distribueras av den privata sektorn.

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com