美国国家标准与技术研究院(NIST)及其合作伙伴的物理学家展示了一种实验性的下一代原子钟 - 在高“光学”频率下滴答作响 - 比平常小得多，仅由三个小芯片加上支持电子和光学。
在Optica中描述，芯片级时钟基于铷原子的振动或“嘀嗒”，铷原子被限制在芯片上的一个称为蒸气室的微小玻璃容器中。芯片上的两个频率梳就像齿轮一样将原子的高频光学刻度线连接到可以在应用中使用的较低的，广泛使用的微波频率。
基于芯片的新时钟核心需要的功率非常小(仅为275毫瓦)，并且随着技术的进步，可能会变得足够小以便于手持。像这样的芯片级光学时钟最终可以取代导航系统和电信网络等应用中的传统振荡器，并作为卫星上的备用时钟。
“我们制造了一个光学原子钟，其中所有关键部件都经过微加工，并协同工作以产生极其稳定的输出，”NIST研究员John Kitching说。“最终，我们希望这项工作能够产生非常稳定的小型低功耗时钟，并为便携式电池供电设备带来新一代精确定时。”
时钟是在加利福尼亚理工学院(加利福尼亚州帕萨迪纳)，斯坦福大学(斯坦福，加利福尼亚州)和查尔斯斯塔克德雷珀实验室(马萨诸塞州剑桥)的帮助下在NIST建造的。
标准原子钟在微波频率下工作，基于铯原子的自然振动 - 世界上第二个原子的主要定义。以更高频率运行的光学原子钟提供更高的精度，因为它们将时间分成更小的单位并具有高“质量因子”，这反映了原子可以在没有外界帮助的情况下自行打勾的时间。预计光学时钟将成为未来重新定义光学时钟的基础。
在NIST最初的芯片级原子钟中，原子用微波频率探测。该时钟的商业版本已成为需要高定时稳定性的便携式应用的行业标准。但它们需要初始校准，并且它们的频率会随时间漂移，从而导致严重的定时误差。
紧凑的光学时钟是一个可能的步骤。到目前为止，光学时钟体积庞大且复杂，仅作为计量机构和大学的实验。
已经广泛研究了铷中的光学刻度以用作频率标准并且足够精确以用作长度标准。NIST的铷蒸气电池和两个频率梳以与计算机芯片相同的方式进行微加工。这意味着它们可以支持电子和光学的进一步集成，并且可以大规模生产 - 这是通向商业上可行的紧凑型光学时钟的途径。
NIST基于芯片的光学时钟在4,000秒时的不稳定性为1.7 x 10?13，比芯片级微波时钟好100倍。
时钟的工作原理如下：铷原子在太赫兹(THz)波段的光学频率上嘀嗒作响。这种滴答声用于稳定称为时钟激光器的红外激光器，该激光器通过两个像齿轮一样的频率梳子转换成千兆赫(GHz)微波时钟信号。一个以THz频率工作的梳子跨越足够宽的范围以稳定自身。THz梳与GHz频率梳同步，用作锁定到时钟激光器的精细间隔标尺。因此，时钟产生一个GHz微波电信号 - 可以通过传统的电子设备测量 - 稳定到铷的THz振动。
在未来，基于芯片的时钟稳定性可以通过低噪声激光器得到改善，并且通过更复杂的光学和电子集成减小其尺寸。