Os pesquisadores do MIT desenvolveram o primeiro relógio molecular em um chip, que usa a constante, rotação mensurável de moléculas - quando expostas a uma certa frequência de radiação eletromagnética - para manter o tempo. O chip pode um dia melhorar significativamente a precisão e o desempenho da navegação em smartphones e outros dispositivos de consumo.

Os cronometristas mais precisos de hoje são os relógios atômicos. Esses relógios dependem da ressonância constante de átomos, quando exposto a uma frequência específica, para medir exatamente um segundo. Vários desses relógios são instalados em todos os satélites GPS. Ao "trilaterar" os sinais de tempo transmitidos por esses satélites - uma técnica como a triangulação, que usa dados tridimensionais para o posicionamento - seu smartphone e outros receptores terrestres podem apontar sua própria localização.

Mas os relógios atômicos são grandes e caros. Seu smartphone, Portanto, tem um relógio interno muito menos preciso que depende de três sinais de satélite para navegar e ainda pode calcular locais errados. Os erros podem ser reduzidos com correções de sinais de satélite adicionais, se disponível, mas isso degrada o desempenho e a velocidade de sua navegação. Quando os sinais caem ou enfraquecem, como em áreas cercadas por edifícios que refletem o sinal ou em túneis, seu telefone depende principalmente do relógio e de um acelerômetro para estimar sua localização e para onde você está indo.

Pesquisadores do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT e do Terahertz Integrated Electronics Group agora construíram um relógio no chip que expõe moléculas específicas - não átomos - a um exato, ultra-alta frequência que os faz girar. Quando as rotações moleculares causam absorção máxima de energia, uma saída periódica é cronometrada - neste caso, um segundo. Tal como acontece com a ressonância dos átomos, esse giro é constante o suficiente para servir como uma referência de tempo precisa.

Em experimentos, o relógio molecular teve em média um erro inferior a 1 microssegundo por hora, comparável a relógios atômicos em miniatura e 10, 000 vezes mais estável do que os relógios osciladores de cristal dos smartphones. Como o relógio é totalmente eletrônico e não requer volumoso, componentes que consomem muita energia, usados ​​para isolar e excitar os átomos, é fabricado com baixo custo, Tecnologia de circuito integrado de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) usada para fazer todos os chips de smartphones.

"Nossa visão é, no futuro, você não precisa gastar uma grande quantidade de dinheiro para obter relógios atômicos na maioria dos equipamentos. Em vez, você só tem uma pequena célula de gás que você anexa ao canto de um chip em um smartphone, e então a coisa toda está funcionando com a precisão do relógio atômico, "diz Ruonan Han, professor associado do EECS e co-autor de um artigo que descreve o relógio, publicado hoje em Nature Electronics .

O relógio molecular em escala de chip também pode ser usado para manter o tempo mais eficiente em operações que requerem precisão de localização, mas envolvem pouco ou nenhum sinal de GPS, como aplicações de detecção subaquática ou de campo de batalha.

Juntando-se a Han no papel estão:Cheng Wang, um Ph.D. aluno e primeiro autor; Xiang Yi, um pós-doutorado; e os alunos de graduação James Mawdsley, Mina Kim, e Zihan Wang, todos do EECS.

Na década de 1960, cientistas definiram oficialmente um segundo como 9, 192, 631, 770 oscilações de radiação, que é a freqüência exata necessária para que os átomos de césio-133 mudem de um estado baixo para um estado alto de excitabilidade. Porque essa mudança é constante, essa frequência exata pode ser usada como uma referência de tempo confiável de um segundo. Essencialmente, cada vez 9, 192, 631, 770 oscilações ocorrem, um segundo se passou.

Os relógios atômicos são sistemas que usam esse conceito. Eles varrem uma banda estreita de frequências de micro-ondas através dos átomos de césio-133 até que um número máximo de átomos transite para seus estados altos - o que significa que a frequência é então exatamente 9, 192, 631, 770 oscilações. Quando isso acontecer, o sistema marca um segundo. Ele testa continuamente se um número máximo desses átomos está em estados de alta energia e, se não, ajusta a frequência para manter o controle. Os melhores relógios atômicos chegam com um segundo de erro a cada 1,4 milhão de anos.

Nos últimos anos, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA lançou relógios atômicos em escala de chip. Mas estes custam cerca de US $ 1, 000 cada - caro demais para dispositivos de consumo. Para diminuir a escala, "pesquisamos diferentes físicos todos juntos, "Han diz." Nós não investigamos o comportamento dos átomos; em vez, investigamos o comportamento das moléculas. "

O chip dos pesquisadores funciona de forma semelhante a um relógio atômico, mas depende da medição da rotação da molécula de sulfeto de carbonila (OCS), quando exposto a certas frequências. Presa ao chip está uma célula de gás cheia de OCS. Um circuito varre continuamente as frequências de ondas eletromagnéticas ao longo da célula, fazendo com que as moléculas comecem a girar. Um receptor mede a energia dessas rotações e ajusta a frequência de saída do relógio de acordo. Com uma frequência muito próxima de 231,060983 gigahertz, as moléculas atingem o pico de rotação e formam uma resposta de sinal nítida. Os pesquisadores dividiram essa frequência para exatamente um segundo, combinando com a hora oficial dos relógios atômicos.

"A saída do sistema está ligada a esse número conhecido - cerca de 231 gigahertz, "Han diz." Você quer correlacionar uma quantidade que é útil para você com uma quantidade que é constante física, isso não muda. Então sua quantidade se torna muito estável. "

Um desafio importante foi projetar um chip que pode disparar um sinal de 200 gigahertz para fazer uma molécula girar. Os componentes do dispositivo do consumidor geralmente podem produzir apenas alguns gigahertz de intensidade de sinal. Os pesquisadores desenvolveram estruturas de metal personalizadas e outros componentes que aumentam a eficácia dos transistores, a fim de moldar um sinal de entrada de baixa frequência em uma onda eletromagnética de alta frequência, usando o mínimo de energia possível. O chip consome apenas 66 miliwatts de energia. Para comparação, recursos comuns do smartphone, como GPS, Wi-fi, e iluminação LED - pode consumir centenas de miliwatts durante o uso.

Os chips podem ser usados ​​para detecção subaquática, onde os sinais de GPS não estão disponíveis, Han diz. Nesses aplicativos, ondas sônicas são lançadas no fundo do oceano e retornam a uma grade de sensores subaquáticos. Dentro de cada sensor, um relógio atômico anexado mede o atraso do sinal para apontar a localização de, dizer, óleo sob o fundo do oceano. O chip dos pesquisadores pode ser uma alternativa de baixo consumo e baixo custo aos relógios atômicos.

O chip também pode ser usado no campo de batalha, Han diz. As bombas são frequentemente acionadas remotamente em campos de batalha, então os soldados usam equipamentos que suprimem todos os sinais na área para que as bombas não explodam. "Os próprios soldados não têm mais sinais de GPS, "Han diz." Esses são os lugares em que um relógio interno preciso para a navegação local se torna essencial. "

Atualmente, o protótipo precisa de alguns ajustes antes de estar pronto para chegar aos dispositivos do consumidor. Os pesquisadores atualmente têm planos de encolher ainda mais o relógio e reduzir o consumo médio de energia para alguns miliwatts, enquanto corta sua taxa de erro em uma ou duas ordens de magnitude.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.