美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的物理學(xué)家和合作伙伴已經(jīng)展示了一種實(shí)驗(yàn)性的下一代原子鐘，這種原子鐘具有高“光學(xué)”頻率，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(xué)的芯片組成。

據(jù)Optica公司描述，這種芯片級別的時鐘是基于晶片上一個名為“蒸汽電池”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(xué)滴答聲連接到一個更低、可廣泛應(yīng)用的微波頻率上。

這款新型時鐘的核心芯片只需要很少的能量(僅275毫瓦)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)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(xué)時鐘最終可能會在導(dǎo)航系統(tǒng)和電信網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的振蕩器，成為衛(wèi)星上的備用時鐘。NIST研究員John Kitching說：我們制作了一個光學(xué)原子鐘，其中所有關(guān)鍵部件都是微加工的，并一起工作以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的輸出。最終，我們預(yù)計這項(xiàng)工作將導(dǎo)致小型、低功耗的時鐘變得異常穩(wěn)定，并將為便攜式電池驅(qū)動設(shè)備帶來新一代精確計時技術(shù)。

在加州理工學(xué)院(California Institute of Technology, Pasadena)、斯坦福大學(xué)(Stanford University, California)和查爾斯·斯塔克·德雷珀實(shí)驗(yàn)室(Charles Stark Draper Laboratories, Cambridge, Mass.)的幫助下，這個時鐘在NIST建成。標(biāo)準(zhǔn)原子鐘以微波頻率工作，基于銫原子的自然振動——這是世界上對秒的主要定義。光學(xué)原子鐘的頻率更高，精度更高，因?yàn)樗鼈儼褧r間分割成更小單位，并且有一個高的“質(zhì)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。

光學(xué)時鐘有望成為未來重新定義秒的基礎(chǔ)，在NIST最初的芯片級原子鐘中，用微波頻率探測原子。這種時鐘的商業(yè)版本已經(jīng)成為需要高定時穩(wěn)定性的便攜應(yīng)用程序的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但它們需要初始校準(zhǔn)，而且頻率會隨時間漂移，導(dǎo)致嚴(yán)重的計時誤差。緊湊型光學(xué)時鐘是一種可能的進(jìn)步。到目前為止，光學(xué)時鐘一直體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只能作為計量機(jī)構(gòu)和大學(xué)的實(shí)驗(yàn)使用。銣中的光學(xué)刻度作為頻率標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛研究，其準(zhǔn)確度足以作為長度標(biāo)準(zhǔn)。NIST的銣蒸氣電池和兩個頻率梳是用與計算機(jī)芯片相同方法微加工的。

這意味著它們可以支持電子和光學(xué)的進(jìn)一步集成，并且可以大規(guī)模生產(chǎn)——這是一條通向商業(yè)上可行的緊湊光學(xué)時鐘道路。NIST基于芯片光學(xué)時鐘在4000秒時的不穩(wěn)定性為1.7 x 10^13，大約是芯片規(guī)模微波時鐘的100倍。時鐘工作原理是這樣的:銣原子以太赫茲(THz)波段的光學(xué)頻率滴答。這種滴答聲被用來穩(wěn)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率梳將其轉(zhuǎn)換成千兆赫(GHz)微波時鐘信號。

一個梳，在THz頻率，跨越足夠廣泛的范圍，以穩(wěn)定自己。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(xì)間隔標(biāo)尺。因此，該時鐘產(chǎn)生了一個GHz微波電子信號（可以用傳統(tǒng)的電子儀器測量）穩(wěn)定到銣原子的THz振動。在未來，基于芯片的時鐘的穩(wěn)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(fù)雜的光學(xué)和電子集成而減小。

博科園｜研究/來自：美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院

參考期刊《Optica》

DOI: 10.1364/OPTICA.6.000680

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