Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont créé une puce sur laquelle la lumière laser interagit avec un minuscule nuage d'atomes pour servir de boîte à outils miniature pour mesurer des quantités importantes telles que la longueur avec une précision quantique. La conception pourrait être produite en série avec la technologie existante.

Comme décrit dans Optique , La puce prototype du NIST a été utilisée pour générer de la lumière infrarouge à une longueur d'onde de 780 nanomètres, suffisamment précisément pour être utilisé comme référence de longueur pour l'étalonnage d'autres instruments. La puce NIST emballe le nuage d'atomes et les structures pour guider les ondes lumineuses dans moins de 1 centimètre carré, environ un dix millième du volume d'autres appareils compacts offrant une précision de mesure similaire.

"Par rapport à d'autres appareils qui utilisent des puces pour guider les ondes lumineuses pour sonder les atomes, notre puce multiplie par cent la précision de mesure, " Le physicien du NIST Matt Hummon a déclaré. "Notre puce repose actuellement sur un petit laser externe et une table optique, mais dans les conceptions futures, nous espérons tout mettre sur la puce."

De nombreux appareils utilisent la lumière pour sonder les états quantiques des atomes dans une vapeur confinée dans une petite cellule. Les atomes peuvent être très sensibles aux conditions extérieures, et donc, faire de superbes détecteurs. Les appareils basés sur les interactions lumineuses avec les vapeurs atomiques peuvent mesurer des quantités telles que le temps, longueur et champs magnétiques et ont des applications dans la navigation, communication, médecine et d'autres domaines. De tels dispositifs doivent généralement être assemblés à la main.

La nouvelle puce du NIST transporte la lumière du laser externe à travers un nouveau guide d'ondes et une structure de réseau pour étendre le diamètre du faisceau afin de sonder environ 100 millions d'atomes jusqu'à ce qu'ils passent d'un niveau d'énergie à un autre. Pour déterminer la fréquence ou la longueur d'onde de la lumière laser que les atomes vont absorber pour subir cette transition énergétique, le système utilise un photodétecteur pour identifier le réglage laser auquel seulement environ la moitié de la lumière traverse la cellule de vapeur.

La démonstration a utilisé un gaz d'atomes de rubidium, mais la puce pourrait fonctionner avec une large gamme de vapeurs atomiques et moléculaires pour générer des fréquences spécifiques sur tout le spectre visible de la lumière et une partie de la bande infrarouge. Une fois le laser correctement réglé, une partie de la lumière laser d'origine peut être siphonnée comme sortie pour être utilisée comme étalon de référence.

La puce NIST peut être utilisée, par exemple, pour étalonner des instruments de mesure de longueur. La norme internationale de longueur est basée sur la vitesse de la lumière, équivalent à la longueur d'onde de la lumière multipliée par sa fréquence.

Mais plus important, la nouvelle puce montre que les lasers et les cellules à vapeur atomique pourraient potentiellement être produits en série ensemble comme des semi-conducteurs, utilisant des matériaux de silicium et des techniques traditionnelles de fabrication de puces, au lieu de l'assemblage manuel actuel d'optiques encombrantes et de cellules à vapeur en verre soufflé, Le chef du groupe NIST, John Kitching, a déclaré. Cette avancée pourrait s'appliquer à de nombreux instruments du NIST, des horloges atomiques aux capteurs magnétiques et aux spectromètres à gaz.

La puce NIST mesure 14 millimètres (environ 0,55 pouce) de long et 9 mm (environ 0,35 pouce) de large. Les guides d'ondes sont en nitrure de silicium, qui peut gérer une large gamme de fréquences lumineuses. La cellule à vapeur est en silicium micro-usiné avec des fenêtres en verre et est similaire à celles utilisées dans l'horloge atomique et le magnétomètre à puce du NIST, également développé par le groupe de recherche de Kitching.

Le nouvel appareil mesure la fréquence avec une précision de 1 partie d'erreur sur 10 milliards à 100 secondes, une performance vérifiée par comparaison avec un peigne de fréquence NIST séparé. Ce niveau de performance est très bon pour quelque chose de si petit, bien que les instruments de laboratoire à grande échelle soient plus précis, dit Kitching.

La recherche fait partie du programme NIST-on-a-Chip, visant à créer des prototypes pour les petits, peu coûteux, des outils de mesure de faible puissance et faciles à fabriquer qui sont basés sur le quantum, Et ainsi, intrinsèquement précis. Ces outils sont destinés à être utilisables pratiquement n'importe où, comme dans les milieux industriels pour l'étalonnage des instruments. Dans le cadre de ce programme, Les technologies pionnières du NIST seraient fabriquées et distribuées par le secteur privé.