新NIST芯片暗示未来的量子传感器

新NIST芯片暗示未来的量子传感器

美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员发明了一种芯片,激光与一个微小的原子云相互作用,充当一个微型工具,用量子精度测量重要长度,如长度。这种设计可以用现有技术批量生产。

图像描述:NIST的原型芯片,用于测量重要长度,如量子精度等。该装置使用激光探测原子,以精确波长产生红外光。NIST的芯片上包裹着微小的原子和结构云,用于将光波引导到不到1平方厘米。原子被包含在蒸气电池中,芯片顶部的方形窗口被黑色环氧树脂包围着,它保持着一个光纤阵列。便士是刻度的参考。信用:哈蒙/ NIST  

如炎(链接外部),NIST的原型芯片来产生在780纳米波长的红外光,正足以作为校准其他仪器长度参考。NIST芯片封装了原子云和用于引导光波小于1平方厘米的结构,约占其他紧凑型设备体积的一万分之一,提供了类似的测量精度;

“相比其他设备使用的芯片引导光波探针原子,我们的芯片,提高了测量精度百倍,”NIST物理学家Matt Hummon说。“我们的芯片目前依赖于一个小型的外部激光和光学表,但在未来的设计中,我们希望把所有的东西都放在芯片上。”;

许多设备利用光探测在小细胞中的蒸气中原子的量子态。原子可以对外界条件高度敏感,因此,可以做出极好的探测器。基于光与原子蒸气相互作用的装置可以测量时间、长度和磁场等量,并在导航、通讯、医学等领域有应用。这种装置一般都是手工装配的;

新的NIST芯片通过一种新的波导和光栅结构从外部激光器传输光,以扩大光束直径以探测大约1亿个原子,直到它们从一个能级切换到另一个能级。为了确定原子吸收的激光频率或波长进行这种能量转换,系统使用光电探测器识别激光调谐,其中只有大约一半的光通过蒸汽池;

演示使用的是铷原子的气体,但这种芯片可以与各种各样的原子和分子蒸气一起工作,以在整个可见光光谱和一些红外波段产生特定频率。一旦激光调好,原来的一些激光可以将输出作为参考标准。 

例如,NIST芯片可能用于校准长度测量仪器。国际长度标准是基于光的速度,相当于光的波长乘以它的频率;

但更重要的是,新的芯片显示,激光和原子蒸气细胞可能大规模生产在一起像半导体,使用硅材料和传统的芯片制造技术,而不是笨重的光学目前的手工装配和吹制玻璃气室,NIST组组长John Kitching说。这一进展可以应用于许多NIST仪器,从原子钟到磁传感器和气体光谱仪;

NIST芯片是14毫米(约0.55英寸)长,9毫米(约0.35英寸)宽。波导是由氮化硅制成的,它能处理宽范围的光频率。蒸气细胞微硅与玻璃窗和类似于那些用于NIST的芯片级原子钟和磁强计,由Kitching的研究小组还开发了 

新的设备测量频率在100亿秒的精度为1的部分误差在100秒,通过一个单独的NIST频率梳的性能验证。这种性能水平是这么小的东西很好,虽然全面的实验室仪器越来越精密,Kitching说。 

本研究的nist-on-a-chip计划的一部分,旨在为小型、廉价的原型创建、低功耗和易于制造的测量工具,基于量子,因此,本质上是准确的。这些工具几乎可以在任何地方使用,例如在工业环境中进行仪器校准。在这一计划下,NIST率先采用私营部门制造和分销技术。

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