Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han creado un chip en el que la luz láser interactúa con una pequeña nube de átomos para servir como un juego de herramientas en miniatura para medir cantidades importantes como la longitud con precisión cuántica. El diseño podría serproducido en masa con la tecnología existente.
Como se describe en óptica , el chip prototipo del NIST se usó para generar luz infrarroja a una longitud de onda de 780 nanómetros, precisamente lo suficiente como para ser utilizado como referencia de longitud para calibrar otros instrumentos. El chip NIST empaqueta la nube atómica y las estructuras para guiar las ondas de luz en menos de 1centímetro cuadrado, aproximadamente una diezmilésima parte del volumen de otros dispositivos compactos que ofrecen una precisión de medición similar.
"En comparación con otros dispositivos que usan chips para guiar las ondas de luz para sondear átomos, nuestro chip aumenta la precisión de medición cien veces", dijo el físico del NIST Matt Hummon. "Nuestro chip actualmente se basa en un pequeño láser externo y una mesa óptica, pero endiseños futuros, esperamos poner todo en el chip "
Muchos dispositivos usan luz para sondear los estados cuánticos de los átomos en un vapor confinado en una celda pequeña. Los átomos pueden ser muy sensibles a las condiciones externas y, por lo tanto, son detectores excelentes. Los dispositivos basados en interacciones de luz con vapores atómicos pueden medir cantidades talescomo tiempo, longitud y campos magnéticos y tienen aplicaciones en navegación, comunicaciones, medicina y otros campos. Tales dispositivos generalmente deben ensamblarse a mano.
El nuevo chip NIST transporta la luz del láser externo a través de una nueva guía de ondas y estructura de rejilla para expandir el diámetro del haz para sondear alrededor de 100 millones de átomos hasta que cambien de un nivel de energía a otro. Para determinar la frecuencia de luz láser o la longitud de onda que ellos átomos se absorberán para experimentar esta transición energética, el sistema usa un fotodetector para identificar la sintonización láser en la que solo la mitad de la luz pasa a través de la celda de vapor.
La demostración usó un gas de átomos de rubidio, pero el chip podría funcionar con una amplia gama de vapores atómicos y moleculares para generar frecuencias específicas en todo el espectro visible de luz y en parte de la banda infrarroja. Una vez que el láser se ajusta adecuadamente,parte de la luz láser original se puede desviar como salida para usar como estándar de referencia.
El chip NIST podría usarse, por ejemplo, para calibrar instrumentos de medición de longitud. El estándar de longitud internacional se basa en la velocidad de la luz, equivalente a la longitud de onda de la luz multiplicada por su frecuencia.
Pero lo que es más importante, el nuevo chip muestra que los láseres y las células de vapor atómico podrían potencialmente producirse en masa juntos como semiconductores, utilizando materiales de silicio y técnicas tradicionales de fabricación de chips, en lugar del ensamblaje manual actual de ópticas voluminosas y vapor de vidrio sopladocélulas, dijo el líder del grupo NIST John Kitching. Este avance podría aplicarse a muchos instrumentos NIST, desde relojes atómicos hasta sensores magnéticos y espectrómetros de gas.
El chip NIST tiene 14 milímetros aproximadamente 0,55 pulgadas de largo y 9 mm aproximadamente 0,35 pulgadas de ancho. Las guías de onda están hechas de nitruro de silicio, que puede manejar una amplia gama de frecuencias de luz. La celda de vapor es silicio micromecanizado con vidrioWindows y es similar a los utilizados en el reloj atómico y el magnetómetro a escala de chip del NIST, también desarrollado por el grupo de investigación de Kitching.
El nuevo dispositivo mide la frecuencia con una precisión de error de 1 parte en 10 mil millones a 100 segundos, un rendimiento verificado en comparación con un peine de frecuencia NIST separado. Este nivel de rendimiento es muy bueno para algo tan pequeño, aunque instrumentos de laboratorio a gran escalason más precisos, dijo Kitching.
La investigación es parte del programa NIST-on-a-Chip, cuyo objetivo es crear prototipos para herramientas de medición pequeñas, económicas, de baja potencia y fáciles de fabricar que se basan en cuántica y, por lo tanto, son intrínsecamente precisas.para ser utilizable prácticamente en cualquier lugar, como en entornos industriales para la calibración de instrumentos. Bajo este programa, el sector privado fabricaría y distribuiría tecnologías pioneras del NIST.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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