Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y sus socios han demostrado un reloj atómico experimental de próxima generación, que funciona a altas frecuencias "ópticas", que es mucho más pequeño de lo habitual, hecho de solo tres chips pequeñosmás electrónica y óptica de soporte.
Descrito en óptica , el reloj a escala de chip se basa en las vibraciones, o "ticks", de átomos de rubidio confinados en un pequeño recipiente de vidrio, llamado celda de vapor, en un chip. Dos peines de frecuencia en chips actúan como engranajes para unir los átomos'señales ópticas de alta frecuencia a una frecuencia de microondas más baja y ampliamente utilizada que se puede usar en aplicaciones.
El corazón del nuevo reloj basado en chips requiere muy poca energía solo 275 milivatios y, con los avances tecnológicos adicionales, podría hacerse lo suficientemente pequeño como para ser portátil. Los relojes ópticos a escala de chip como este podrían eventualmente reemplazar a los osciladores tradicionales enaplicaciones como sistemas de navegación y redes de telecomunicaciones y sirven como relojes de respaldo en satélites.
"Hicimos un reloj atómico óptico en el que todos los componentes clave están microfabricados y trabajan juntos para producir una salida excepcionalmente estable", dijo el compañero de NIST John Kitching. "En última instancia, esperamos que este trabajo conduzca a pequeños relojes de baja potencia queson excepcionalmente estables y brindarán una nueva generación de sincronización precisa a dispositivos portátiles que funcionan con baterías "
El reloj se construyó en NIST con la ayuda del Instituto de Tecnología de California Pasadena, California, la Universidad de Stanford Stanford, California y los Laboratorios Charles Stark Draper Cambridge, Massachusetts.
Los relojes atómicos estándar operan a frecuencias de microondas, basadas en las vibraciones naturales del átomo de cesio, la definición principal del mundo del segundo. Los relojes atómicos ópticos, que funcionan a frecuencias más altas, ofrecen mayor precisión porque dividen el tiempo en unidades más pequeñas y tienenun "factor de calidad" alto, que refleja cuánto tiempo pueden funcionar los átomos por sí mismos, sin ayuda externa. Se espera que los relojes ópticos sean la base para una redefinición futura del segundo.
En el reloj atómico original a escala de chip del NIST, los átomos se probaron con una frecuencia de microondas. Las versiones comerciales de este reloj se han convertido en un estándar de la industria para aplicaciones portátiles que requieren una alta estabilidad de tiempo. Pero requieren calibración inicial y su frecuencia puede variar con el tiempo, lo que resulta en errores de tiempo significativos.
Los relojes ópticos compactos son un posible paso adelante. Hasta ahora, los relojes ópticos han sido voluminosos y complejos, operados solo como experimentos por instituciones metrológicas y universidades.
Las garrapatas ópticas en rubidio se han estudiado ampliamente para su uso como estándares de frecuencia y son lo suficientemente precisas para usarse como estándares de longitud. La celda de vapor de rubidio del NIST y los dos peines de frecuencia están microfabricados de la misma manera que los chips de computadora. Esto significa que podrían soportarmayor integración de la electrónica y la óptica y podría producirse en masa, un camino hacia relojes ópticos compactos comercialmente viables.
El reloj óptico basado en chips del NIST tiene una inestabilidad de 1.7 x 10–13 a 4,000 segundos, aproximadamente 100 veces mejor que el reloj de microondas a escala de chip.
El reloj funciona así: el tic de los átomos de rubidio a una frecuencia óptica en la banda de terahercios THz. Este tic se utiliza para estabilizar un láser infrarrojo, llamado láser de reloj, que se convierte en un microondas de gigahercios GHzseñal de reloj mediante dos peines de frecuencia que actúan como engranajes. Un peine, que funciona a una frecuencia THz, abarca un rango lo suficientemente amplio como para estabilizarse. El peine THz se sincroniza con un peine de frecuencia GHz, que se utiliza como una regla finamente espaciada bloqueada en elláser de reloj. Por lo tanto, el reloj produce una señal eléctrica de microondas de GHz, que se puede medir mediante electrónica convencional, que se estabiliza a las vibraciones THz del rubidio.
En el futuro, la estabilidad del reloj basado en chips puede mejorarse con láseres de bajo ruido y su tamaño puede reducirse con una integración óptica y electrónica más sofisticada.
El trabajo está financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa y el programa NIST on a Chip.
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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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