NIST團隊利用光學技術研發下一代微型芯片級原子鐘

　　NIST下一代微型原子鐘的核心是一個芯片上的蒸汽電池（以高“光學”頻率滴嗒)，圖為顯示在一粒咖啡豆旁。玻璃電池(芯片中的方形窗口)含有銣原子，其振動提供時鐘的滴嗒。整個時鐘由三個微晶片組成，外加輔助電子和光學元件。

　　核心組件

　　美國國家標準與技術研究院(NIST)的物理學家及其團隊展示了一種實驗型的下一代原子鐘，這種原子鐘在高“光學”頻率滴嗒，比通常的原子鐘要小得多，由三個小芯片加上支持電子和光學的芯片組成。

　　據Optica期刊中介紹，這種芯片級別的時鐘是基于晶片上一個名為“蒸汽電池”的小玻璃容器中銣原子的振動，即“滴答聲”。芯片上的兩個頻率梳就像齒輪一樣，將原子的高頻光學滴答聲連接到一個更低的、可廣泛應用的微波頻率上。

　　這款新型鐘的核心芯片只需要很少的能量(僅275毫瓦)，隨著技術的進一步進步，它有可能變得足夠小，可以手持使用。像這樣的芯片級光學鐘最終可能會在導航系統和電信網絡等應用領域取代傳統的振蕩器，成為衛星上的備用鐘。NIST研究員John Kitching說:“我們研制的光鐘，其中所有關鍵部件都是微加工的，這些部件協同工作以產生非常穩定的輸出。最終，預計這項工作將導致小型、低功耗的鐘變得極其穩定，并將為便攜式、電池驅動設備帶來新一代精確計時技術。”

　　加州理工學院(California Institute of Technology, Pasadena)、斯坦福大學(Stanford University, California)和查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室(Charles Stark Draper Laboratories, Cambridge, Mass.)為NIST成功研制這臺鐘提供了幫助。

　　應用領域

　　標準原子鐘以微波頻率工作，基于銫原子的自然振動，這是世界上對秒的基本定義。光原子鐘的頻率更高、精度更高，因為它們把時間分割成更小的單位，并且有一個高的“質量因子”，這反映了原子在沒有外界幫助的情況下可以自己計時多長時間。光鐘因此有望成為未來重新定義秒的基礎。

　　在NIST最初的芯片級原子鐘中，用微波頻率探測原子。這臺鐘的商業型已經成為需要高定時穩定性的便攜應用的行業標準。但它們需要初始校準，且頻率會隨時間漂移，從而導致顯著的計時誤差。

　　到目前為止，光鐘一直體積龐大、結構復雜，只能作為計量機構和大學的實驗使用。緊湊型光鐘可能帶來技術應用的進步。

　　銣中的光學刻度作為頻率標準已被廣泛研究，其準確度足以作為長度標準。NIST的銣蒸氣電池和兩個頻率梳是用與計算機芯片相同的方法微加工的。這意味著它們可以支持電子和光學的進一步集成，并且可以大規模生產，這是一條通向商業上可行的緊湊光學時鐘的道路。

　　工作原理

　　NIST基于芯片的光鐘在4000秒時的不穩定性為1.7×10?13，大約優于芯片型微波時鐘的100倍。時鐘的工作原理是這樣的:銣原子以太赫茲(THz)波段的光學頻率滴嗒。這種滴嗒聲被用來穩定一種紅外激光器，稱為時鐘激光器，通過兩個像齒輪一樣的頻梳轉換成千兆赫(GHz)微波時鐘信號。一個以THz頻率工作的梳子跨越足夠寬的范圍以穩定自身。THz梳與GHz頻率梳同步，GHz頻率梳被用作鎖在時鐘激光器上的細間隔標尺。因此，該時鐘產生了一個可以用傳統的電子儀器測量GHz微波電子信號，穩定到銣原子的THz振動。

　　在未來，基于芯片的時鐘的穩定性可能會隨著低噪聲激光得到改善，其尺寸也會隨著更復雜的光學和電子集成而減小。