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美国科学家研究出与原子钟性能一样高的低成本低功耗分子钟
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发表时间:2018-08-20 14:43来源:麦姆斯咨询

据麦姆斯咨询报道,美国科学家利用分子太赫兹(THz)范围的谐振特性研发出与原子钟性能几乎无异的分子钟,且只需要集成电路(IC)的通用工艺即可完成。

分子钟.jpg

基于铯133或铷原子受激共振的原子钟是目前广泛使用的时钟精度之王(每颗GPS卫星中都安装有一个这样的原子钟),但它们成本高且体积相对较大。甚至用于如战场的军事任务同步特殊应用的芯片级原子钟,价格也达1000美元。


不过,麻省理工学院(MIT)电气工程与计算机科学系的团队与其太赫兹集成电路团队合作开发了一款与原子钟性能不分伯仲的时钟。这款时钟采用IC的通用工艺,相应地减小了尺寸,并降低了功耗和成本。


这款“分子”时钟依赖于测量分子羰基硫化物(OCS)暴露于某些频率时的旋转,这就是为什么它被称为“分子”而不是“原子”。(注:羰基硫化物更正式的表达为16O12C32S,一?#21482;?#23398;化合物,也有其他常用的名称和缩写)

MIT开发的芯片级硅基分子钟的设计、测量结果.jpg

测量结果表明,分子钟的平均误差小于每小时1微秒,与微型原子钟相当,比用于智能?#21482;?#20013;的大众型晶体振荡器时钟高于4个数量级。更令人兴奋的是,分子钟完全是电子的,不需要笨重或耗电的支持组件对分子进行绝缘或激发,并且采用标准CMOS IC工艺制造。


研究团队的论文《基于亚太赫兹旋转光谱的片上全电子分子钟》(An on-chip fully electronic molecular clock based on sub-terahertz rotational spectroscopy)发表于Nature Electronics,描述了原理、设计、操作以?#23433;?#35797;。除概念之外,文中还说明了需要什么样的拓扑结构。


OCS和太赫兹频率


为了提供该方法的基础——分子共振,研究团队增加了一个充满OCS的“气室”。IC在气室内产生并扫描可变频太赫兹信号,激发分子开始旋转。同时,太赫兹接收器测?#31185;?#26059;转能量并通过闭环装置调节太赫兹振荡频率。OCS分子达到旋转角度峰值并显示出非常接近231.060983GHz的信号响应峰值,这是它们的“自然”共振频率。然后将该谐振频率下的太赫兹源时钟分频以产生标准的一秒定时触发的脉冲(one-pulse-per-second timing pulses)。


该团队必须开发一种可控的可调太赫兹源。它是通过利用定?#24179;?#23646;结构和其他元件?#35789;?#29616;的,以提高片上晶体管的性能。片上晶体管的主要用途是将初始低频输入信号转换成太赫兹信号输出。同时,团队希望尽量降低功耗,该器件功耗仅为66mW。


该论文的作者得出结论:“我们的工作证明了在主流硅基芯片?#20302;?#21333;片集成原子钟级频率参考的可行性。”论文除了提供对分子钟和OCS的预期参考,还包含许多关于全尺寸芯片级原子钟的设计、技术和构造的有趣追溯和教程参考。


这项工作得到了美国国家科学基金会职业成就奖(National Science Foundation CAREER award)、麻省理工学院林肯实验室、麻省理工学院集成电路与?#20302;?#20013;心以及德州仪器公司奖学金的支持。


延伸阅读

参考消息网7月19日报道 美媒称,分子在受到某种频率的电磁辐射时会进行恒定且可测量的自旋,利用这一点,美国麻省理工学院的研究人员开发出第一个可以计时的芯片分子钟。这?#20013;?#29255;?#35856;?#19968;日能大大提高智能?#21482;?#21644;其他消费设备的导航精度和性能。

据美国科技探索网站7月16日报道,如今最准确的计时工具是原子钟。利用原子在受到某个特定频率的电磁辐射时的稳定共振,这种时钟可以精确地测量出一秒。全球定位?#20302;常℅PS)所使用的所有卫星中都安装了几个这样的原子钟。卫星把时间信号发送出去,智能?#21482;?#21644;地面上其他接收器通过类似三角测量法的技术,对这些信号加以测算,可以准确?#33539;?#33258;己的位置。

但是原子钟既庞大,?#32844;?#36149;。因此,智能?#21482;?#37319;用准?#33539;?#19981;太高的内置时钟。这种内置时钟依靠三个卫星信号来导航,而且仍有可能算错位置。如果用更多的卫星信号加以修正,可以减少误差,但这会降低导航?#20302;?#30340;性能和速?#21462;?/span>

报道称,来自麻省理工学院电气工程?#22270;?#31639;机科学系和太赫兹集成电子集团的研究人员现在制造出一?#20013;?#29255;钟。它使特定的分子接受某种精确的超高频电磁辐射,从而导致分子自旋。当分子自旋引起最大的能量吸收时,一个输出周期的时间被测得为一秒钟。与原子的共振一样,这种自旋非常稳定,足以使其充当一种精确计时参考。

报道称,在实验中,分子钟的平均误差低于每小时1微秒,与微型原子钟相当,其稳定程度是采用晶体振荡器的智能?#21482;?#20869;置时钟的1万倍。由于分子钟实?#33267;?#20840;电子化,不需要笨重而耗能的部件来隔离?#22270;?#21457;原子,因此可以用低成本的互补金属氧化物半导体集成电路技术来制造分子钟,而这种技术也用于制造所有的智能?#21482;?#33455;片。

麻省理工学院电气工程?#22270;?#31639;机科学系副教授、分子钟相关论文的作者之一韩若楠(音)说:“我们的设想是,未来不需要将大量资金用于在大多数设备上安装原子钟。相反,你只要在智能?#21482;?#26576;个芯片的一角安装一个小小的气囊,然后一?#33455;?#37117;能以原子钟级别的精?#33539;仍?#34892;。?#22791;?#35770;文13日发表在英国《自然?电子学》?#21448;?#19978;。


报道称,这?#20013;?#29255;级分子钟也可用于在要求精确位置但几乎不需要GPS信号的作业中进行更有效的计时。这类作业包括水下感应和战场应用?#21462;?/span>

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