Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e parceiros demonstraram um experimento, relógio atômico de próxima geração - batendo em altas frequências "ópticas" - que é muito menor do que o normal, feito de apenas três pequenos chips, além de componentes eletrônicos e ópticos de suporte.

Descrito em Optica , o relógio em escala de chip é baseado nas vibrações, ou "carrapatos, "de átomos de rubídio confinados em um minúsculo recipiente de vidro, chamada de célula de vapor, em um chip. Dois pentes de frequência em chips agem como engrenagens para ligar os tiques ópticos de alta frequência dos átomos a um inferior, frequência de microondas amplamente utilizada que pode ser usada em aplicações.

O coração baseado em chip do novo relógio requer muito pouca energia (apenas 275 miliwatts) e, com avanços tecnológicos adicionais, poderia ser pequeno o suficiente para ser portátil. Relógios ópticos em escala de chip como este poderiam eventualmente substituir os osciladores tradicionais em aplicações como sistemas de navegação e redes de telecomunicações e servir como relógios de reserva em satélites.

"Fizemos um relógio atômico óptico no qual todos os componentes principais são microfabricados e trabalham juntos para produzir uma saída excepcionalmente estável, "NIST Fellow John Kitching disse." Em última análise, esperamos que este trabalho leve a pequenas, relógios de baixa energia que são excepcionalmente estáveis ​​e trarão uma nova geração de temporização precisa para portáteis, dispositivos operados por bateria. "

O relógio foi construído no NIST com a ajuda do California Institute of Technology (Pasadena, Califórnia), Stanford University (Stanford, Califórnia) e Charles Stark Draper Laboratories (Cambridge, Massa.).

Os relógios atômicos padrão operam em frequências de micro-ondas, com base nas vibrações naturais do átomo de césio - a principal definição mundial do segundo. Relógios atômicos ópticos, rodando em frequências mais altas, oferecem maior precisão porque dividem o tempo em unidades menores e têm um alto "fator de qualidade, "que reflete quanto tempo os átomos podem funcionar por conta própria, sem ajuda externa. Espera-se que os relógios ópticos sejam a base para uma futura redefinição do segundo.

No relógio atômico em escala de chip original do NIST, os átomos foram sondados com uma frequência de micro-ondas. As versões comerciais deste relógio se tornaram um padrão da indústria para aplicações portáteis que requerem alta estabilidade de temporização. Mas eles exigem calibração inicial e sua frequência pode variar com o tempo, resultando em erros de cronometragem significativos.

Relógios ópticos compactos são um possível avanço. Até agora, relógios ópticos têm sido volumosos e complexos, operado apenas como experimentos por instituições metrológicas e universidades.

Os carrapatos ópticos no rubídio têm sido estudados extensivamente para uso como padrões de frequência e são precisos o suficiente para serem usados ​​como padrões de comprimento. A célula de vapor de rubídio do NIST e os dois pentes de frequência são microfabricados da mesma forma que os chips de computador. Isso significa que eles podem suportar uma maior integração de eletrônica e óptica e podem ser produzidos em massa - um caminho para a viabilidade comercial, relógios ópticos compactos.

O relógio óptico baseado em chip do NIST tem uma instabilidade de 1,7 x 10 ¹³ às 4, 000 segundos - cerca de 100 vezes melhor do que o relógio de micro-ondas em escala de chip.

O relógio funciona assim:o tique-taque dos átomos de rubídio em uma frequência óptica na banda terahertz (THz). Este tique-taque é usado para estabilizar um laser infravermelho, chamado de laser de relógio, que é convertido em um sinal de relógio de micro-ondas gigahertz (GHz) por dois pentes de frequência agindo como engrenagens. Um pente, operando em uma frequência THz, abrange uma faixa ampla o suficiente para se estabilizar. O pente THz é sincronizado com um pente de frequência GHz, que é usado como uma régua finamente espaçada travada para o laser do relógio. O relógio, portanto, produz um sinal elétrico de micro-ondas GHz - que pode ser medido pela eletrônica convencional - que é estabilizado pelas vibrações THz do rubídio.

No futuro, a estabilidade do relógio baseado em chip pode ser melhorada com lasers de baixo ruído e seu tamanho reduzido com integração óptica e eletrônica mais sofisticada.