新一代芯片級原子鍾：有望走向商用量產！

背景

鍾表，是我們日常生活中常用的記時工具。

然而，即使是我們平時所用的高精度鍾表，每年也會有1分鐘的誤差。也許，我們對於如此微小的誤差並不在乎。但是，在對於記時要求很高的生產與科研活動中，這樣的誤差卻是讓人無法容忍的。為了適應高精度要求，科學家們創造出了一系列精密的計時器，原子鍾就是其中重要的一種。

原子鍾是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波來計時的。由於這種電磁波非常穩定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，原子鍾的計時就可以非常準確了。現在，用在原子鍾裡的元素有氫(hydrogen)、銫(caesium)、銣(rubidium)等。原子鍾的精度可以達到每2000萬年才誤差1秒。

原子鍾已經為天文、航海、宇宙航行等領域提供了強有力的保障。但是，目前這些器件體積龐大，重量也很大，達幾百千克。要成為平常人可使用的實用功能，原子鍾的尺寸需要大幅縮小，而精度和速度需要被保留。

創新

近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的物理學家及其合作夥伴們演示了一種實驗性的新一代原子鍾，它可以在很高的“光學”頻率下“滴答走時"。該原子鍾僅由三個小型芯片配合電子與光學器件構成，尺寸比平常的原子鍾要小很多。

下圖所示：NIST的新一代小型化原子鍾可以在很高的“光學”頻率下滴答走時，其核心就是這個芯片上的蒸汽室，位於咖啡豆的旁邊。玻璃室（芯片中的正方形窗戶）含有銣原子，其振動提供了鍾的“滴答走時”。整個原子鍾由三個微加工的芯片配合電子與光子器件構成。

根據《Optica》期刊上的描述，這個芯片級的原子鍾是基於芯片上限制在所謂“蒸汽室”的微型玻璃容器中的銣原子振動，或者說“滴答走時”。芯片上的兩個頻率梳像齒輪一樣工作，將原子的高頻光學振動與廣泛使用的、較低頻率的微波聯繫到一起。

在NIST打造的這個原子鍾，得到了加州理工學院、史丹佛大學和查爾斯·斯塔克·德拉普爾實驗室的幫助。

技術

這種新原子鍾的核心基於芯片，需要的功率非常少（僅275毫瓦），通過進一步的技術進展，有望被製成小到足以手持的設備。像這樣的芯片級光學原子鍾最終將在導航系統和通信網絡等應用中，取代傳統的振蕩器，並作為衛星的備用時鐘。

標準的原子鍾工作在微波頻率，基於銫原子的自然振動（世界上關於“秒”的初始定義）。運行在更高頻率的光學原子鍾提供了更高的精度，因為它們將時間劃分為更小的單元，並具有更高的“品質因數”。它反映了，在沒有外界幫助時，原子自己振動的時間有多長。光學原子鍾有望成為未來重新定義“秒”的基礎。

在NIST起初設計的芯片級原子鍾中，原子通過微波頻率探測。這種原子鍾的商用版本已成為需要高度穩定“定時”的便攜式應用的工業標準。但是它們需要初始的校準，而且其頻率會隨著時間產生漂移，結果產生顯著的定時誤差。

緊湊的光學原子鍾是一種進步。迄今為止，光學時鐘一直都是笨重且複雜的，只能作為計量學研究所和大學的實驗來運行。

銣中的光學“滴答走時”作為頻率標準一直受到廣泛研究，並且它精準到足以作為長度標準。NIST 的銣蒸汽室和兩個頻率梳可以採用與計算機芯片一樣的方式進行微加工。這意味著，它們可以支持電子與光學器件的進一步集成並進行量產，這是一條通往具備商業可行性的緊湊的光學原子鍾的途徑。

原子鍾的工作方式是這樣的：銣原子在太赫茲頻段（THz）的光學頻率下“滴答走時”。這種“滴答走時”用於穩定紅外線雷射，也稱為時鐘雷射。時鐘雷射通過兩個像齒輪一樣工作的頻率梳轉化為吉赫茲（GHz）微波時鐘信號。一個頻率梳，工作在太赫茲頻率下，跨越足夠廣的範圍來穩定自身。另外一個頻率梳，工作在吉赫茲頻率下，作為精細間隔的尺子鎖定時鐘雷射。太赫茲頻率梳與吉赫茲頻率梳同步。然後，原子鍾產生了吉赫茲微波電信號（該信號能被傳統電子器件測量到），它相對於銣原子的太赫茲振動來說是穩定的。

價值

NIST 研究員約翰·科琴（John Kitching）表示：“我們製成了一個光學原子鍾。在這個原子鍾中，所有的關鍵元件都可以得到微加工，並且工作在一起，從而產生異常穩定的輸出。最終，我們希望這項工作將帶來小型、低功耗的原子鍾，這些原子鍾特別穩定，並將為便攜式、電池供電的設備帶來新一代精準的定時。”

NIST 開發的基於芯片的光學原子鍾4千秒的誤差為1.7x 10?13，差不多勝過芯片級的微波時鐘百倍。

未來

基於芯片的原子鍾的穩定性可以低噪音雷射器來改善，其尺寸可以通過更加複雜的光學和電子集成來縮小。

關鍵字

原子鍾、雷射、頻率梳、芯片

參考資料

【1】Zachary L. Newman, Vincent Maurice, Tara Drake, Jordan R. Stone, Travis C. Briles, Daryl T. Spencer, Connor Fredrick, Qing Li, Daron Westly, B. R. Ilic, Boqiang Shen, Myoung-Gyun Suh, Ki Youl Yang, Cort Johnson, David M. S. Johnson, Leo Hollberg, Kerry J. Vahala, Kartik Srinivasan, Scott A. Diddams, John Kitching, Scott B. Papp, Matthew T. Hummon.Architecture for the photonic integration of an optical atomic clock. Optica, 2019; 6 (5): 680 DOI: 10.1364/OPTICA.6.000680

【2】https://www.nist.gov/news-events/news/2019/05/nist-team-demonstrates-heart-next-generation-chip-scale-atomic-clock