Reloj atómico a escala de chip

Un reloj atómico a escala de chip (CSAC) es un reloj atómico compacto y de bajo consumo fabricado utilizando técnicas de sistemas microelectromecánicos (MEMS) e incorporando un láser semiconductor de bajo consumo como fuente de luz. El primer paquete de física CSAC se demostró en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ( NIST ) en 2003, ^[1] basado en una invención realizada en 2001. ^[2] El trabajo fue financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) del Departamento de Defensa de los EE. UU . con el objetivo de desarrollar un reloj atómico del tamaño de un microchip para su uso en equipos portátiles. En equipos militares se espera que proporcione una mejor ubicación y conocimiento de la situación del espacio de batalla para los soldados desmontados cuando el sistema de posicionamiento global no esté disponible, ^[3] pero también se prevén muchas aplicaciones civiles. La fabricación comercial de estos relojes atómicos comenzó en 2011. ^[4] El CSAC, el reloj atómico más pequeño del mundo, tiene un tamaño de 4 x 3,5 x 1 cm (1,5 x 1,4 x 0,4 pulgadas), pesa 35 gramos, consume solo 115 mW de energía y puede mantener la hora con una precisión de 100 microsegundos por día después de varios años de funcionamiento. En 2019, el NIST demostró un diseño más estable basado en la vibración de átomos de rubidio . ^[5]

Al igual que otros relojes atómicos de cesio, el reloj mantiene el tiempo mediante una señal de microondas precisa de 9,192631770 GHz emitida por transiciones de espín de electrones entre dos niveles de energía hiperfinos en átomos de cesio-133 . Un mecanismo de retroalimentación mantiene un oscilador de cristal de cuarzo en el chip bloqueado a esta frecuencia, que se divide por contadores digitales para proporcionar señales de reloj de 10 MHz y 1 Hz proporcionadas a los pines de salida. En el chip, el metal líquido de cesio en una pequeña cápsula de 2 mm, fabricada utilizando técnicas de micromaquinado de silicio, se calienta para vaporizar el metal alcalino. Un láser semiconductor brilla un haz de luz infrarroja modulada por el oscilador de microondas a través de la cápsula sobre un fotodetector . Cuando el oscilador está en la frecuencia precisa de la transición, la absorción óptica de los átomos de cesio se reduce, lo que aumenta la salida del fotodetector . La salida del fotodetector se utiliza como retroalimentación en un circuito de bucle bloqueado de frecuencia para mantener el oscilador en la frecuencia correcta.

Los relojes atómicos de celda de vapor convencionales tienen aproximadamente el tamaño de una baraja de cartas, consumen alrededor de 10 W de energía eléctrica y cuestan alrededor de $3000. Reducirlos al tamaño de un chip semiconductor requirió un desarrollo extenso y varios avances. ^[6] Una parte importante del desarrollo fue diseñar el dispositivo para que pudiera fabricarse utilizando técnicas de fabricación de semiconductores estándar cuando fuera posible, para mantener su costo lo suficientemente bajo como para que pudiera convertirse en un dispositivo para el mercado masivo. Los relojes de cesio convencionales utilizan un tubo de vidrio que contiene cesio, que es difícil de hacer más pequeño que 1 cm. En el CSAC, se utilizaron técnicas MEMS para crear una cápsula de cesio de solo 2 milímetros cúbicos de tamaño. La fuente de luz en los relojes atómicos convencionales es una lámpara de descarga de vapor atómico de rubidio , que era voluminosa y consumía grandes cantidades de energía. En el CSAC, esto se reemplazó por un láser emisor de superficie de cavidad vertical infrarrojo (VCSEL) fabricado en el chip, con su haz irradiando hacia arriba en la cápsula de cesio sobre él. Otro avance fue la eliminación de la cavidad de microondas utilizada en los relojes convencionales, cuyo tamaño, igual a una longitud de onda de la frecuencia de microondas, de unos 3 cm, formaba el límite inferior fundamental del tamaño del reloj. ^[6] La cavidad se hizo innecesaria gracias al uso de una técnica cuántica, el atrapamiento de población coherente .

El programa CSAC logró una reducción de tamaño de cien veces mientras usaba 50 veces menos energía que los relojes atómicos tradicionales, lo que llevó a un uso extensivo de CSAC en aplicaciones militares y comerciales. ^{[7] [8]} Según un informe de octubre de 2023, se espera que el mercado de CSAC crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) "notable" de 2023 a 2030. ^[9] Los principales actores comerciales incluyen Microsemi ( Microchip Technology ), Teledyne , Chengdu Spaceon Electronics y AccuBeat. ^{[9] [10]}

NIST en un chip