Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) criaram um chip no qual a luz laser interage com uma pequena nuvem de átomos para servir como um kit de ferramentas em miniatura para medir quantidades importantes, como comprimento com precisão quântica. O projeto pode ser produzido em massa com a tecnologia existente.

Conforme descrito em Optica , O protótipo do chip do NIST foi usado para gerar luz infravermelha em um comprimento de onda de 780 nanômetros, precisamente o suficiente para ser usado como uma referência de comprimento para calibrar outros instrumentos. O chip NIST embala a nuvem de átomos e as estruturas para guiar as ondas de luz em menos de 1 centímetro quadrado, cerca de um décimo milésimo do volume de outros dispositivos compactos que oferecem precisão de medição semelhante.

"Comparado a outros dispositivos que usam chips para guiar ondas de luz para sondar átomos, nosso chip aumenta a precisão da medição cem vezes, "O físico do NIST Matt Hummon disse." Nosso chip atualmente depende de um pequeno laser externo e mesa óptica, mas em projetos futuros, esperamos colocar tudo no chip. "

Muitos dispositivos usam luz para sondar os estados quânticos dos átomos em um vapor confinado em uma pequena célula. Os átomos podem ser altamente sensíveis às condições externas, e portanto, faça detectores soberbos. Dispositivos baseados em interações de luz com vapores atômicos podem medir quantidades como o tempo, comprimento e campos magnéticos e têm aplicações na navegação, comunicações, medicina e outros campos. Esses dispositivos geralmente devem ser montados à mão.

O novo chip NIST transporta a luz do laser externo através de um novo guia de ondas e estrutura de grade para expandir o diâmetro do feixe e sondar cerca de 100 milhões de átomos até que eles mudem de um nível de energia para outro. Para determinar a frequência da luz do laser ou comprimento de onda que os átomos irão absorver para passar por esta transição de energia, o sistema usa um fotodetector para identificar o ajuste do laser no qual apenas cerca de metade da luz passa pela célula de vapor.

A demonstração usou um gás de átomos de rubídio, mas o chip poderia funcionar com uma ampla gama de vapores atômicos e moleculares para gerar frequências específicas em todo o espectro visível da luz e em parte da banda infravermelha. Assim que o laser estiver devidamente ajustado, parte da luz laser original pode ser desviado como saída para usar como um padrão de referência.

O chip NIST pode ser usado, por exemplo, para calibrar instrumentos de medição de comprimento. O padrão internacional de comprimento é baseado na velocidade da luz, equivalente ao comprimento de onda da luz multiplicado por sua frequência.

Mas mais importante, o novo chip mostra que lasers e células de vapor atômico poderiam ser potencialmente produzidos em massa juntos como semicondutores, usando materiais de silício e técnicas tradicionais de fabricação de chips, em vez da atual montagem manual de ótica volumosa e células de vapor de vidro soprado, O líder do grupo NIST, John Kitching, disse. Este avanço pode se aplicar a muitos instrumentos NIST, de relógios atômicos a sensores magnéticos e espectrômetros de gás.

O chip NIST tem 14 milímetros (cerca de 0,55 polegadas) de comprimento e 9 mm (cerca de 0,35 polegadas) de largura. Os guias de onda são feitos de nitreto de silício, que pode lidar com uma ampla gama de frequências de luz. A célula de vapor é de silício microusinado com janelas de vidro e é semelhante àquelas usadas no relógio atômico e magnetômetro em escala de chip do NIST, também desenvolvido pelo grupo de pesquisa de Kitching.

O novo dispositivo mede a frequência com uma precisão de erro de 1 parte em 10 bilhões a 100 segundos, um desempenho verificado por comparação com um pente de frequência NIST separado. Este nível de desempenho é muito bom para algo tão pequeno, embora os instrumentos de laboratório em grande escala sejam mais precisos, Kitching disse.

A pesquisa faz parte do programa NIST-on-a-Chip, visando a criação de protótipos para pequenos, barato, ferramentas de medição de baixo consumo de energia e facilmente fabricadas que são baseadas em quantum, e assim, intrinsecamente preciso. Essas ferramentas devem ser usadas em praticamente qualquer lugar, como em ambientes industriais para calibração de instrumentos. Neste programa, As tecnologias pioneiras do NIST seriam fabricadas e distribuídas pelo setor privado.