原子鐘價(jià)格太高？ 親民的分子鐘來(lái)了

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家利用分子太赫茲(THz)范圍的諧振特性研發(fā)出與原子鐘性能幾乎無(wú)異的分子鐘，且只需要集成電路(IC)的通用工藝即可完成。

基于銫133或銣原子受激共振的原子鐘是目前廣泛使用的時(shí)鐘精度之王(每顆GPS衛(wèi)星中都安裝有一個(gè)這樣的原子鐘)，但它們成本高且體積相對(duì)較大。甚至用于如戰(zhàn)場(chǎng)的軍事任務(wù)同步特殊應(yīng)用的芯片級(jí)原子鐘，價(jià)格也達(dá)1000美元。

不過(guò)，麻省理工學(xué)院(MIT)電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的團(tuán)隊(duì)與其太赫茲集成電路團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一款與原子鐘性能不分伯仲的時(shí)鐘。這款時(shí)鐘采用IC的通用工藝，相應(yīng)地減小了尺寸，并降低了功耗和成本。

這款“分子”時(shí)鐘依賴于測(cè)量分子羰基硫化物(OCS)暴露于某些頻率時(shí)的旋轉(zhuǎn)，這就是為什么它被稱為“分子”而不是“原子”。(注：羰基硫化物更正式的表達(dá)為16O12C32S，一種化學(xué)化合物，也有其他常用的名稱和縮寫)

測(cè)量結(jié)果表明，分子鐘的平均誤差小于每小時(shí)1微秒，與微型原子鐘相當(dāng)，比用于智能手機(jī)中的大眾型晶體振蕩器時(shí)鐘高于4個(gè)數(shù)量級(jí)。更令人興奮的是，分子鐘完全是電子的，不需要笨重或耗電的支持組件對(duì)分子進(jìn)行絕緣或激發(fā)，并且采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS IC工藝制造。

研究團(tuán)隊(duì)的論文《基于亞太赫茲旋轉(zhuǎn)光譜的片上全電子分子鐘》(An on-chip fully electronic molecular clock based on sub-terahertz rotational spectroscopy)發(fā)表于Nature Electronics，描述了原理、設(shè)計(jì)、操作以及測(cè)試。除概念之外，文中還說(shuō)明了需要什么樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

OCS和太赫茲頻率

為了提供該方法的基礎(chǔ)——分子共振，研究團(tuán)隊(duì)增加了一個(gè)充滿OCS的“氣室”。IC在氣室內(nèi)產(chǎn)生并掃描可變頻太赫茲信號(hào)，激發(fā)分子開始旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，太赫茲接收器測(cè)量其旋轉(zhuǎn)能量并通過(guò)閉環(huán)裝置調(diào)節(jié)太赫茲振蕩頻率。OCS分子達(dá)到旋轉(zhuǎn)角度峰值并顯示出非常接近231.060983GHz的信號(hào)響應(yīng)峰值，這是它們的“自然”共振頻率。然后將該諧振頻率下的太赫茲源時(shí)鐘分頻以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的一秒定時(shí)觸發(fā)的脈沖(one-pulse-per-second timing pulses)。

該團(tuán)隊(duì)必須開發(fā)一種可控的可調(diào)太赫茲源。它是通過(guò)利用定制金屬結(jié)構(gòu)和其他元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以提高片上晶體管的性能。片上晶體管的主要用途是將初始低頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成太赫茲信號(hào)輸出。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)希望盡量降低功耗，該器件功耗僅為66mW。

該論文的作者得出結(jié)論：“我們的工作證明了在主流硅基芯片系統(tǒng)單片集成原子鐘級(jí)頻率參考的可行性。”論文除了提供對(duì)分子鐘和OCS的預(yù)期參考，還包含許多關(guān)于全尺寸芯片級(jí)原子鐘的設(shè)計(jì)、技術(shù)和構(gòu)造的有趣追溯和教程參考。

這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)職業(yè)成就獎(jiǎng)(National Science Foundation CAREER award)、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院集成電路與系統(tǒng)中心以及德州儀器公司獎(jiǎng)學(xué)金的支持。