新的微小原子束时钟可以为GPS无法到达的地方带来稳定的时间
发布时间：2023-06-26 08:00:00 阅读数： 48
a 原子束装置的图片，上面标有部件（花生米的比例）。源腔中的Rb蒸汽为埋藏的微毛细管阵列提供能量，并在漂移腔中形成原子束（用红到蓝的箭头表示）。b 光束装置的放大图显示了元件层以及Rb丸分配器、石墨棒和NEG泵。每个毛细管有一个100微米×100微米的方形截面。该阵列使原子束准直，并在源区和漂移区之间提供差分泵。 d 最后的阳极键将设备密封在超高真空（UHV）室中。资料来源：《自然通讯》（2023）。DOI: 10.1038/s41467-023-39166-1
与目前的系统相比，一种新型的微型原子钟可以在几周和几个月的时间内提供更好的计时。美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员与佐治亚理工学院的研究人员合作，制成了首个芯片级光束钟。他们的工作已经发表在《自然通讯》上。
原子钟有许多形式，但最古老和最突出的设计之一是使用原子束建造的。这些时钟将一束原子穿过一个真空室。在真空室的一端，原子被设置为一个特定的量子状态，并开始 "滴答"。在另一端，它们的滴答率被测量或 "读出"。利用原子的精确滴答率，其他时钟可以与原子束时钟进行比较，并进行调整以匹配其时间。
自20世纪50年代以来，NIST一直在使用原子束进行计时。几十年来，光束钟被用来保持秒的主要标准，而且它们仍然是NIST国家计时系统的一部分。光束钟是精确的，稳定的和准确的，但它们目前不是最便携的。原子移动的真空室是这些时钟成功的关键，但它们很笨重，部分原因是用于探测原子 "滴答 "的微波腔的尺寸。NIST-7的真空室是美国用于主要频率标准的最后一个光束钟，长度超过2.5米或8英尺。
与公文包大小差不多的小型商业时钟很常见，但它们仍然需要大量的电力（约50瓦）来运行。作为比较，智能手机的典型运行需要大约三分之一的瓦特。
芯片级原子钟（CSAC）是由NIST在2001年开发的。微细加工技术的进步让NIST制造出了汽化室，即容纳和测量时钟原子的微小腔体，只有一粒米大小；整个时钟大约只有一块寿司大小。这些时钟耗电量非常小，可以用电池运行，在GPS无法到达的关键情况下提供计时。
CSAC已经在水下石油和天然气勘探、军事导航、甚至电信方面找到了许多应用。然而，当温度变化和原子周围的气体退化时，时钟的计时往往会发生漂移。
"鉴于其尺寸，CSAC是低功耗的，并且有很高的性能。这是一个很好的设备，但它在运行几千秒后确实会漂移，"NIST的物理学家William McGehee说。"光束钟自20世纪50年代以来一直存在，而且很稳定，但仍然需要大量的电力。如果我们能把这两个系统的最佳方面结合起来，会怎么样？"
利用从CSAC学到的微细加工技术，该小组利用蚀刻的硅和玻璃层的堆叠制造了一个芯片级的原子束装置。这个装置是像NIST-7这样的原子束钟所使用的腔室的高度微型化版本，大约有一张邮票那么大。
在NIST开发的原子蒸气电池结构技术和在佐治亚理工学院开发的蚀刻微毛细管阵列是缩小大型光束钟的真空室的关键。
在该装置中，一个腔室包含一个小的铷原子丸。该腔室加热，通过微毛细管（仅100微米宽的通道）释放出铷原子流。这些微小的通道连接到另一个含有能够吸收或收集单个气体分子的材料的腔室，这些材料被称为非蒸发器（NEGs），它们拉着铷原子并收集它们，保持微毛细管中的真空清洁。微小的石墨棒也有助于在这个过程中收集杂散的原子。
现在，这个芯片级光束装置是一个微型原子束钟的原型。对芯片级光束钟的初步测试显示，其性能比现有的CSAC略差，但该团队看到了一条改善稳定性的道路。研究人员希望将其精度再推10倍，并在一周的时间范围内将现有CSAC的稳定性超过100倍。
参考资料
Gabriela D. Martinez et al, A chip-scale atomic beam clock, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39166-1
