Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och partners har demonstrerat en experimentell, nästa generations atomklocka – som tickar vid höga "optiska" frekvenser – som är mycket mindre än vanligt, gjord av bara tre små chips plus stödjande elektronik och optik.

Beskrivs i Optica , chip-skala klockan är baserad på vibrationer, eller "fästingar, "av rubidiumatomer inneslutna i en liten glasbehållare, kallas en ångcell, på ett chip. Två frekvenskammar på chips fungerar som kugghjul för att länka atomernas högfrekventa optiska fästingar till en lägre, mycket använd mikrovågsfrekvens som kan användas i applikationer.

Det chipbaserade hjärtat i den nya klockan kräver väldigt lite ström (bara 275 milliwatt) och, med ytterligare tekniska framsteg, skulle potentiellt kunna göras tillräckligt liten för att vara handhållen. Optiska klockor i chipskala som denna kan så småningom ersätta traditionella oscillatorer i applikationer som navigationssystem och telekommunikationsnätverk och fungera som backupklockor på satelliter.

"Vi gjorde en optisk atomklocka där alla nyckelkomponenter är mikrotillverkade och samarbetar för att producera en exceptionellt stabil utgång, ", sa NIST-kollegan John Kitching. "I slutändan, vi förväntar oss att detta arbete leder till små, lågeffektklockor som är exceptionellt stabila och kommer att ge en ny generation av exakt timing till bärbara, batteridrivna enheter."

Klockan byggdes på NIST med hjälp från California Institute of Technology (Pasadena, Kalifornien), Stanford University (Stanford, Kalifornien) och Charles Stark Draper Laboratories (Cambridge, Massa.).

Standard atomklockor arbetar vid mikrovågsfrekvenser, baserad på cesiumatomens naturliga vibrationer – världens primära definition av den andra. Optiska atomur, kör på högre frekvenser, erbjuder större precision eftersom de delar upp tiden i mindre enheter och har en hög "kvalitetsfaktor, "som återspeglar hur länge atomerna kan ticka på egen hand, utan hjälp utifrån. Optiska klockor förväntas ligga till grund för en framtida omdefiniering av den andra.

I NIST:s ursprungliga atomur i chipskala, atomerna sonderades med en mikrovågsfrekvens. Kommersiella versioner av denna klocka har blivit en industristandard för bärbara applikationer som kräver hög tidstabilitet. Men de kräver initial kalibrering och deras frekvens kan glida över tiden, vilket resulterar i betydande tidsfel.

Kompakta optiska klockor är ett möjligt steg upp. Tills nu, optiska klockor har varit skrymmande och komplexa, drivs endast som experiment av metrologiska institutioner och universitet.

Optiska fästingar i rubidium har studerats omfattande för användning som frekvensstandarder och är tillräckligt noggranna för att användas som längdstandarder. NIST:s rubidiumångcell och de två frekvenskammarna är mikrotillverkade på samma sätt som datorchips. Detta innebär att de kan stödja ytterligare integration av elektronik och optik och kan massproduceras – en väg mot kommersiellt gångbar, kompakta optiska klockor.

NIST:s chipbaserade optiska klocka har en instabilitet på 1,7 x 10 ¹³ vid 4, 000 sekunder – ungefär 100 gånger bättre än mikrovågsklockan i chipsskala.

Klockan fungerar så här:Rubidiumatomerna tickar vid en optisk frekvens i terahertz (THz) bandet. Denna tickande används för att stabilisera en infraröd laser, kallas klocklaser, som omvandlas till en gigahertz (GHz) mikrovågsklocksignal av två frekvenskammar som fungerar som kugghjul. En kam, arbetar med en THz-frekvens, spänner över ett tillräckligt brett område för att stabilisera sig själv. THz-kammen är synkroniserad med en GHz-frekvenskam, som används som en fint fördelad linjal låst till klocklasern. Klockan producerar alltså en elektrisk mikrovågssignal i GHz – som kan mätas med konventionell elektronik – som stabiliseras till rubidiumets THz-vibrationer.

I framtiden, den chipbaserade klockans stabilitet kan förbättras med lågbruslasrar och dess storlek minskas med mer sofistikerad optisk och elektronisk integration.