Des chercheurs du MIT ont développé la première horloge moléculaire sur puce, qui utilise la constante, rotation mesurable des molécules - lorsqu'elles sont exposées à une certaine fréquence de rayonnement électromagnétique - pour garder le temps. La puce pourrait un jour améliorer considérablement la précision et les performances de la navigation sur les smartphones et autres appareils grand public.

Les chronométreurs les plus précis d'aujourd'hui sont les horloges atomiques. Ces horloges reposent sur la résonance constante des atomes, lorsqu'il est exposé à une fréquence spécifique, pour mesurer exactement une seconde. Plusieurs de ces horloges sont installées dans tous les satellites GPS. En « trilatérant » les signaux horaires diffusés par ces satellites, une technique comme la triangulation, qui utilise des données tridimensionnelles pour le positionnement - votre smartphone et d'autres récepteurs au sol peuvent localiser leur propre emplacement.

Mais les horloges atomiques sont grandes et chères. Votre smartphone, donc, a une horloge interne beaucoup moins précise qui repose sur trois signaux satellites pour naviguer et peut toujours calculer des emplacements erronés. Les erreurs peuvent être réduites avec des corrections de signaux satellites supplémentaires, si disponible, mais cela dégrade les performances et la vitesse de votre navigation. Lorsque les signaux baissent ou s'affaiblissent, comme dans les zones entourées de bâtiments réfléchissant les signaux ou dans les tunnels, votre téléphone s'appuie principalement sur son horloge et un accéléromètre pour estimer votre position et où vous allez.

Des chercheurs du Département de génie électrique et informatique (EECS) du MIT et du Terahertz Integrated Electronics Group ont maintenant construit une horloge sur puce qui expose des molécules spécifiques - et non des atomes - à un degré exact, ultra-haute fréquence qui les fait tourner. Lorsque les rotations moléculaires provoquent une absorption d'énergie maximale, une sortie périodique est cadencée - dans ce cas, une seconde. Comme pour la résonance des atomes, ce spin est suffisamment constant pour qu'il puisse servir de référence de synchronisation précise.

Dans les expériences, l'horloge moléculaire moyenne une erreur inférieure à 1 microseconde par heure, comparable aux horloges atomiques miniatures et 10, 000 fois plus stable que les horloges à quartz des smartphones. Parce que l'horloge est entièrement électronique et ne nécessite pas d'encombrement, composants énergivores utilisés pour isoler et exciter les atomes, il est fabriqué avec le low-cost, technologie de circuit intégré complémentaire métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) utilisée pour fabriquer toutes les puces de smartphone.

"Notre vision est, à l'avenir, vous n'avez pas besoin de dépenser une grosse somme d'argent pour obtenir des horloges atomiques dans la plupart des équipements. Plutôt, vous avez juste une petite cellule à gaz que vous avez attachée au coin d'une puce dans un smartphone, et puis tout fonctionne avec une précision d'horloge atomique, " dit Ruonan Han, professeur agrégé à l'EECS et co-auteur d'un article décrivant l'horloge, publié aujourd'hui dans Nature Électronique .

L'horloge moléculaire à l'échelle de la puce peut également être utilisée pour un chronométrage plus efficace dans les opérations qui nécessitent une précision de localisation mais impliquent peu ou pas de signal GPS, telles que la détection sous-marine ou les applications sur le champ de bataille.

Rejoindre Han sur le papier sont :Cheng Wang, un doctorat étudiant et premier auteur; Xiang Yi, un post-doctorant; et les étudiants diplômés James Mawdsley, Mina Kim, et Zihan Wang, tous de EECS.

Dans les années 1960, les scientifiques ont officiellement défini une seconde comme 9, 192, 631, 770 oscillations de rayonnement, qui est la fréquence exacte qu'il faut aux atomes de césium-133 pour passer d'un état bas à un état d'excitabilité élevé. Parce que ce changement est constant, cette fréquence exacte peut être utilisée comme référence temporelle fiable d'une seconde. Essentiellement, à chaque fois 9, 192, 631, 770 oscillations se produisent, une seconde s'est écoulée.

Les horloges atomiques sont des systèmes qui utilisent ce concept. Ils balayent une bande étroite de fréquences micro-ondes à travers les atomes de césium-133 jusqu'à ce qu'un nombre maximum d'atomes passe à leurs états élevés, ce qui signifie que la fréquence est alors exactement à 9, 192, 631, 770 oscillations. Quand cela arrive, le système synchronise une seconde. Il teste en permanence qu'un nombre maximum de ces atomes sont dans des états de haute énergie et, si non, ajuste la fréquence pour rester sur la bonne voie. Les meilleures horloges atomiques ont une erreur d'une seconde tous les 1,4 million d'années.

Dans les années récentes, l'Agence américaine des projets de recherche avancée pour la défense a introduit des horloges atomiques à l'échelle de la puce. Mais ceux-ci coûtent environ 1 $, 000 chacun—trop cher pour les appareils grand public. Pour réduire l'échelle, « nous avons cherché une physique différente tous ensemble, " dit Han. "Nous ne sondons pas le comportement des atomes; plutôt, nous sondons le comportement des molécules."

La puce des chercheurs fonctionne de manière similaire à une horloge atomique mais repose sur la mesure de la rotation de la molécule de sulfure de carbonyle (OCS), lorsqu'il est exposé à certaines fréquences. Attachée à la puce se trouve une cellule à gaz remplie d'OCS. Un circuit balaie en continu les fréquences des ondes électromagnétiques le long de la cellule, provoquant la mise en rotation des molécules. Un récepteur mesure l'énergie de ces rotations et ajuste la fréquence de sortie de l'horloge en conséquence. A une fréquence très proche de 231,060983 gigahertz, les molécules atteignent la rotation maximale et forment une réponse de signal nette. Les chercheurs ont divisé cette fréquence à exactement une seconde, correspondant à l'heure officielle des horloges atomiques.

"La sortie du système est liée à ce nombre connu - environ 231 gigahertz, " dit Han. " Vous voulez corréler une quantité qui vous est utile avec une quantité qui est une constante physique, ça ne change pas. Ensuite, votre quantité devient très stable."

L'un des principaux défis consistait à concevoir une puce capable d'émettre un signal de 200 gigahertz pour faire tourner une molécule. Les composants d'appareils grand public ne peuvent généralement produire que quelques gigahertz de puissance de signal. Les chercheurs ont développé des structures métalliques personnalisées et d'autres composants qui augmentent l'efficacité des transistors, afin de mettre en forme un signal d'entrée basse fréquence en une onde électromagnétique haute fréquence, tout en utilisant le moins d'énergie possible. La puce ne consomme que 66 milliwatts de puissance. En comparaison, fonctionnalités courantes des smartphones, telles que le GPS, Wifi, et l'éclairage LED - peuvent consommer des centaines de milliwatts pendant l'utilisation.

Les puces pourraient être utilisées pour la détection sous-marine, où les signaux GPS ne sont pas disponibles, dit Han. Dans ces applications, les ondes soniques sont projetées dans le fond de l'océan et retournent à une grille de capteurs sous-marins. A l'intérieur de chaque capteur, une horloge atomique attachée mesure le retard du signal pour localiser l'emplacement de, dire, pétrole sous le plancher océanique. La puce des chercheurs pourrait être une alternative à faible consommation et à faible coût aux horloges atomiques.

La puce pourrait également être utilisée sur le champ de bataille, dit Han. Les bombes sont souvent déclenchées à distance sur les champs de bataille, les soldats utilisent donc un équipement qui supprime tous les signaux dans la zone afin que les bombes ne explosent pas. "Les soldats eux-mêmes n'ont alors plus de signaux GPS, " dit Han. "Ce sont des endroits où une horloge interne précise pour la navigation locale devient tout à fait essentielle."

Actuellement, le prototype a besoin d'être peaufiné avant d'être prêt à atteindre les appareils grand public. Les chercheurs envisagent actuellement de réduire encore plus l'horloge et de réduire la consommation électrique moyenne à quelques milliwatts, tout en réduisant son taux d'erreur d'un ou deux ordres de grandeur supplémentaires.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.