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原子鍾價格令人敬畏 親民的分子鍾來了
來源:www.ageekr.com 日期:2018-08-20 10:43:07

    據麥姆斯谘詢報道,美國科學家利用分子太赫茲(THz)範圍的諧振特性研發出與原子鍾性能幾乎無異的分子鍾,且隻需要集成電路(IC)的通用工藝即可完成。

    基於銫133或銣原子受激共振的原子鍾是目前廣泛使用的時鍾精度之王(每顆GPS衛星中都安裝有一個這樣的原子鍾),但它們成本高且體積相對較大。甚至用於如戰場的軍事任務同步特殊應用的芯片級原子鍾,價格也達1000美元。

    不過,麻省理工學院(MIT)電氣工程與計算機科學係的團隊與其太赫茲集成電路團隊合作開發了一款與原子鍾性能不分伯仲的時鍾。這款時鍾采用IC的通用工藝,相應地減小了尺寸,並降低了功耗和成本。

    這款“分子”時鍾依賴於測量分子羰基硫化物(OCS)暴露於某些頻率時的旋轉,這就是為什麽它被稱為“分子”而不是“原子”。(注:羰基硫化物更正式的表達為16O12C32S,一種化學化合物,也有其他常用的名稱和縮寫)

    測量結果表明,分子鍾的平均誤差小於每小時1微秒,與微型原子鍾相當,比用於智能手機中的大眾型晶體振蕩器時鍾高於4個數量級。更令人興奮的是,分子鍾完全是電子的,不需要笨重或耗電的支持組件對分子進行絕緣或激發,並且采用標準CMOS IC工藝製造。

    研究團隊的論文《基於亞太赫茲旋轉光譜的片上全電子分子鍾》(An on-chip fully electronic molecular clock based on sub-terahertz rotational spectroscopy)發表於Nature Electronics,描述了原理、設計、操作以及測試。除概念之外,文中還說明了需要什麽樣的拓撲結構。

    OCS和太赫茲頻率

    為了提供該方法的基礎——分子共振,研究團隊增加了一個充滿OCS的“氣室”。IC在氣室內產生並掃描可變頻太赫茲信號,激發分子開始旋轉。同時,太赫茲接收器測量其旋轉能量並通過閉環裝置調節太赫茲振蕩頻率。OCS分子達到旋轉角度峰值並顯示出非常接近231.060983GHz的信號響應峰值,這是它們的“自然”共振頻率。然後將該諧振頻率下的太赫茲源時鍾分頻以產生標準的一秒定時觸發的脈衝(one-pulse-per-second timing pulses)。

    該團隊必須開發一種可控的可調太赫茲源。它是通過利用定製金屬結構和其他元件來實現的,以提高片上晶體管的性能。片上晶體管的主要用途是將初始低頻輸入信號轉換成太赫茲信號輸出。同時,團隊希望盡量降低功耗,該器件功耗僅為66mW。

    該論文的作者得出結論:“我們的工作證明了在主流矽基芯片係統單片集成原子鍾級頻率參考的可行性。”論文除了提供對分子鍾和OCS的預期參考,還包含許多關於全尺寸芯片級原子鍾的設計、技術和構造的有趣追溯和教程參考。

    這項工作得到了美國國家科學基金會職業成就獎(National Science Foundation CAREER award)、麻省理工學院林肯實驗室、麻省理工學院集成電路與係統中心以及德州儀器公司獎學金的支持。

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