Le cœur de l'horloge atomique miniature de nouvelle génération du NIST - fonctionnant à des fréquences « optiques » élevées - est cette cellule à vapeur sur une puce, affiché à côté d'un grain de café pour l'échelle. La cellule de verre (la fenêtre carrée de la puce) contient des atomes de rubidium, dont les vibrations fournissent l'horloge « ticks ». L'horloge entière se compose de trois puces microfabriquées ainsi que de l'électronique et de l'optique de support. Crédit :Hummon/NIST
Des physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) et des partenaires ont démontré une méthode expérimentale, horloge atomique de nouvelle génération - fonctionnant à des fréquences "optiques" élevées - qui est beaucoup plus petite que d'habitude, composé de seulement trois petites puces et de l'électronique et de l'optique de support.
Décrit dans Optique , l'horloge à puce est basée sur les vibrations, ou "les tiques, " d'atomes de rubidium confinés dans un minuscule récipient en verre, appelé cellule à vapeur, sur une puce. Deux peignes de fréquence sur puces agissent comme des engrenages pour relier les tiques optiques à haute fréquence des atomes à un plus bas, fréquence micro-ondes largement utilisée qui peut être utilisée dans des applications.
Le cœur à puce de la nouvelle horloge nécessite très peu d'énergie (seulement 275 milliwatts) et, avec des avancées technologiques supplémentaires, pourrait potentiellement être assez petit pour être tenu dans la main. Des horloges optiques à puce comme celle-ci pourraient éventuellement remplacer les oscillateurs traditionnels dans des applications telles que les systèmes de navigation et les réseaux de télécommunications et servir d'horloges de secours sur les satellites.
"Nous avons créé une horloge atomique optique dans laquelle tous les composants clés sont microfabriqués et fonctionnent ensemble pour produire une sortie exceptionnellement stable, " John Kitching, membre du NIST, a déclaré. "En fin de compte, nous nous attendons à ce que ce travail mène à de petits, des horloges à faible consommation qui sont exceptionnellement stables et apporteront une nouvelle génération de synchronisation précise au portable, appareils à piles."
L'horloge a été construite au NIST avec l'aide du California Institute of Technology (Pasadena, Californie), Université de Stanford (Stanford, Californie) et Charles Stark Draper Laboratories (Cambridge, Masse.).
Les horloges atomiques standard fonctionnent à des fréquences micro-ondes, basé sur les vibrations naturelles de l'atome de césium, la première définition mondiale du second. Horloges atomiques optiques, fonctionnant à des fréquences plus élevées, offrent une plus grande précision car ils divisent le temps en unités plus petites et ont un "facteur de qualité" élevé, " qui reflète combien de temps les atomes peuvent tic tac tout seuls, sans aide extérieure. On s'attend à ce que les horloges optiques soient la base d'une future redéfinition de la seconde.
Dans l'horloge atomique à puce originale du NIST, les atomes ont été sondés avec une fréquence micro-onde. Les versions commerciales de cette horloge sont devenues un standard de l'industrie pour les applications portables nécessitant une stabilité temporelle élevée. Mais ils nécessitent un étalonnage initial et leur fréquence peut dériver dans le temps, entraînant d'importantes erreurs de synchronisation.
Les horloges optiques compactes sont une avancée possible. Jusqu'à maintenant, les horloges optiques ont été encombrantes et complexes, exploités uniquement à titre expérimental par des institutions métrologiques et des universités.
Les tiques optiques dans le rubidium ont été largement étudiées pour être utilisées comme étalons de fréquence et sont suffisamment précises pour être utilisées comme étalons de longueur. La cellule à vapeur de rubidium du NIST et les deux peignes de fréquence sont microfabriqués de la même manière que les puces informatiques. Cela signifie qu'ils pourraient prendre en charge une intégration plus poussée de l'électronique et de l'optique et pourraient être produits en série - une voie vers une viabilité commerciale, horloges optiques compactes.
L'horloge optique à puce du NIST a une instabilité de 1,7 x 10 13 à 4 heures, 000 secondes—environ 100 fois mieux que l'horloge micro-ondes à l'échelle de la puce.
L'horloge fonctionne comme ceci :Le tic des atomes de rubidium à une fréquence optique dans la bande térahertz (THz). Ce coutil est utilisé pour stabiliser un laser infrarouge, appelé horloge laser, qui est converti en un signal d'horloge micro-ondes gigahertz (GHz) par deux peignes de fréquence agissant comme des engrenages. Un peigne, fonctionnant à une fréquence THz, couvre une plage suffisamment large pour se stabiliser. Le peigne THz est synchronisé avec un peigne de fréquence GHz, qui est utilisé comme une règle finement espacée verrouillée sur l'horloge laser. L'horloge produit ainsi un signal électrique micro-onde gigahertz - qui peut être mesuré par l'électronique conventionnelle - qui est stabilisé aux vibrations THz du rubidium.
À l'avenir, la stabilité de l'horloge à puce peut être améliorée avec des lasers à faible bruit et sa taille réduite avec une intégration optique et électronique plus sophistiquée.
